1. Rezonans Nedir?

Çoğu yapı ve makine doğal salınımlar geçirir ve bu nedenle üzerlerine etki eden periyodik dış kuvvetler rezonansa neden olabilir. Rezonans genellikle doğal frekansta veya kritik frekansta meydana gelen salınımlar olarak adlandırılır. Rezonans, zorlanmış salınımların genliğinde ani bir artış olgusudur., Bu durum, dış uyarının frekansının sistemin özelliklerine göre belirlenen rezonans frekanslarına yaklaştığında meydana gelir. Salınım genliğindeki artış yalnızca rezonansın bir sonucudur; neden, dış (uyarı) frekansının titreşen sistemin (rotor-yatak) iç (doğal) frekansıyla çakışmasıdır.

Rezonans, titreşimli sistemin belirli bir uyarıcı kuvvet frekansında bu kuvvete karşı özellikle duyarlı hale gelmesi olgusudur. Rezonans frekansında rotor makinesine etki eden düşük rijitlik ve/veya zayıf sönümleme gibi sistem parametreleri rezonansın oluşmasına yol açabilir. Rezonans, makinedeki kusurlar titreşime neden olmadıkça veya yakındaki kurulu bir makine doğal frekanslarla aynı frekansta titreşim "indüklemedikçe" makine arızasına veya bileşen bozulmasına mutlaka yol açmaz.

Bu, bir çanın veya davulun salınımlarına benzetilebilir. Bir çan örneğinde (Şekil 1), hareketsiz haldeyken ve yörüngesinin en yüksek noktalarında tüm enerjisi potansiyel enerji halindedir ve en düşük noktadan maksimum hızla geçerken enerji kinetik enerjiye dönüşür. Potansiyel enerji, çanın kütlesi ve asansörün en düşük noktaya göre yüksekliği ile orantılıdır; kinetik enerji ise kütle ve ölçüm noktasındaki hızın karesi ile orantılıdır. Yani, çana vurursanız, belirli bir frekansta (veya frekanslarda) rezonansa girer. Eğer hareketsiz haldeyse, rezonans frekansında salınım yapmaz.

Rezonans, makinenin çalışır durumda olup olmamasına bakılmaksızın bir özelliğidir. Makinenin dönme halindeyken şaftın dinamik rijitliğinin, makine durduğunda statik rijitliğinden önemli ölçüde farklılık gösterebileceği, buna karşılık rezonansın yalnızca önemsiz derecede değiştiği unutulmamalıdır.

Pratik deneyime dayanan yerleşik bir kural vardır ki, bu kural şunu belirtir: Makine durdurma (yavaşlama) sırasında ölçülen rezonans frekansları, zorlamalı titreşim frekanslarından yaklaşık yüzde 20 daha düşüktür.. Makine aksamlarının ve parçalarının (örneğin şaft, rotor, gövde ve temel) rezonans frekansları, doğal frekanslarındaki salınımlardır.

Makine kurulumundan sonra, sistem parametrelerindeki (kütle, rijitlik ve sönümleme) değişiklikler nedeniyle rezonans frekansları değerlerini değiştirebilir; makinenin tüm mekanizmalarının tek bir üniteye bağlanmasından sonra bu parametreler artabilir veya azalabilir. Ayrıca, yukarıda belirtildiği gibi, dinamik rijitlik, makineler nominal dönüş hızında çalışırken rezonans frekanslarını değiştirebilir. Çoğu makine, rotorun şaftla aynı doğal frekansa sahip olmaması için tasarlanmıştır. Bir veya iki mekanizmadan oluşan bir makine rezonans frekansında çalıştırılmamalıdır. Bununla birlikte, aşınma ve boşluklardaki değişikliklerle, doğal frekans çok sık olarak çalışma dönüş hızına doğru kayarak rezonansa neden olur.

Gevşek bir bağlantı veya başka bir arıza gibi bir kusur frekansında salınımların aniden ortaya çıkması, makinenin rezonans frekansında titreşmesine neden olabilir. Bu durumda, salınımlar makine aksamlarının veya elemanlarının rezonansından kaynaklanıyorsa, makine titreşimi kabul edilebilir bir seviyeden kabul edilemez bir seviyeye yükselecektir.

2. Başlatma ve Kapatma Sırasında Rezonans (Şekil 2)

Makine çalıştırıldığında, rezonans frekansından geçerken rezonans gözlemlenebilir (Şekil 2). Dönme hızı arttıkça, genlik rezonans frekansında maksimum değerine ulaşacaktır (n)._res) ve rezonanstan geçtikten sonra azalır. Rotor rezonanstan geçtiğinde, titreşim fazı 180 derece değişiyor.. Rezonans durumunda, sistem salınımları, uyarıcı kuvvetin salınımlarına göre 90 derece faz kayması gösterir.

180 derecelik faz kayması genellikle yalnızca tek bir düzeltme düzlemine sahip rotorlarda gözlemlenir (Şekil 3, sol). Daha karmaşık "şaft/rotor-yatak" sistemlerinde (Şekil 3, sağ) faz kayması 160° ile 180° arasında değişir. Bir titreşim analizi uzmanı yüksek bir salınım genliği gözlemlediğinde, bunun kabul edilemez bir seviyeye yükselmesinin sistem rezonansıyla ilgili olabileceğini varsaymalıdır.

3. Rotor Konfigürasyonları (Şekil 3)

Bir rotorun titreşim davranışı, geometrisine ve nasıl desteklendiğine kritik derecede bağlıdır. Tek bir düzeltme düzlemine (çıkıntılı bir disk) sahip basit bir rotor, rezonans yoluyla temiz bir 180° faz kayması gösterir. Daha karmaşık bir sistem -örneğin bir kardan mili aracılığıyla birbirine bağlı iki rotor- birden fazla eşlenik mod sergiler ve faz kayması ideal 180°'den sapabilir.

4. Kütle, Rijitlik ve Sönümleme (Şekil 4–7)

Kütle, rijitlik ve sönümleme; bunlar titreşim sisteminin frekansını etkileyen ve rezonansta salınımların genliğini artıran üç parametredir.

Yığın Cismin özelliklerini tanımlar ve eylemsizliğinin bir ölçüsüdür (kütle ne kadar büyükse, periyodik bir kuvvetin etkisi altında o kadar az ivme kazanır), bu da salınımlarına neden olur.

Sertlik Bu, kütle kuvvetlerinin sonucu olarak ortaya çıkan atalet kuvvetlerine karşı koyan sistemin bir özelliğidir.

Sönümleme Sürtünme nedeniyle mekanik sistemdeki salınımların enerjisini ısı enerjisine dönüştürerek azaltan bir sistem özelliğidir.

burada f_n — doğal frekans, k — sertlik, m — kütle, ζ — sönüm oranı, Q — kalite faktörü (rezonanstaki yükseltme), A_res — rezonans genliği, F₀ — uyarı kuvveti genliği.

Rezonansı azaltmak için, sistem parametreleri, rezonans frekanslarının olası dış uyarı frekanslarından mümkün olduğunca uzak konumlandırılması sağlanacak şekilde seçilir. Pratikte, bu amaçla dinamik titreşim emiciler veya sönümleyiciler kullanılır.

Aşağıdaki etkileşimli simülatör (orijinal makaledeki statik Şekil 4-7'nin yerine), kütle, yay ve sönümleyiciden oluşan basit bir titreşim sisteminin Genlik-Frekans Karakteristiğini (AFC) göstermektedir. Bu etkileri gerçek zamanlı olarak gözlemlemek için parametreleri ayarlayın:

Bir gitar teliyle benzetme yapılabilir. Gitar telini ne kadar sıkı çekerseniz (sertlik ne kadar fazla olursa), tel kopana kadar ses (rezonans frekansı) o kadar yükselir. En kalın teli (daha büyük kütle) kullanırsanız, ürettiği ses daha düşük olacaktır.

5. Rezonans Ölçümü (Şekil 8)

Bir yapının rezonans frekansını ölçmek için en yaygın yöntemlerden biri, ölçüm aletleriyle donatılmış bir çekiç kullanılarak yapılan darbe uyarımıdır.

Yapıya gelen darbe, belirli bir frekans aralığında küçük bozucu kuvvetler oluşturur. Darbenin yarattığı salınımlar, geçici, kısa süreli bir enerji transfer sürecini temsil eder. Darbe kuvvetinin spektrumu süreklidir; 0 Hz'de maksimum genliğe sahiptir ve frekans arttıkça azalır.

Darbe uyarımı sırasında darbe süresi ve spektrum şekli, hem darbe çekicinin hem de makine yapısının kütlesi ve rijitliği tarafından belirlenir. Sert bir yapıda nispeten küçük bir çekiç kullanıldığında, spektrumu çekiç ucunun rijitliği belirler. Çekiç ucu mekanik bir filtre görevi görür. Çekiç ucunun sertliğini seçerek, araştırma yapılacak frekans aralığı seçilebilir.

Bu ölçüm tekniği kullanılırken, yapının farklı noktalarına vurmak çok önemlidir, çünkü tüm rezonans frekansları her zaman aynı noktaya vurarak ve ölçerek belirlenemez. Makine rezonansını belirlerken, hem darbe noktası hem de ölçüm noktası doğrulanmalıdır (test edilmelidir).

Eğer çekiç yumuşak uçlu ise, üretilen enerjinin büyük kısmı düşük frekanslarda salınımlara neden olur. Sert uçlu bir çekiç ise, belirli bir frekansta çok az enerji üretir; ancak ürettiği enerji yüksek frekanslarda salınımlara neden olur. Makine durdurulup bağlantısı kesildikten sonra, çekiç darbesine verilen tepki tek kanallı bir analizör ile ölçülebilir.

6. Genlik-Faz Frekans Karakteristiği — APFC (Şekil 9)

Makine rezonansı, tek kanallı bir analizör kullanılarak, rezonans frekansındaki salınım genliğindeki artış ve rezonanstan geçerken meydana gelen 180 derecelik faz değişimi ile belirlenebilir; bu, makine çalıştırılırken (hızlanma) veya durdurulurken (yavaşlama) dönüş frekansında salınım genliği ve fazının ölçülmesiyle yapılır. Bu ölçümler temelinde oluşturulan karakteristik, rezonans eğrisi olarak adlandırılır. Genlik-Faz Frekans Karakteristiği (APFC).

APFC'nin analizi (Şekil 9), titreşim analizi uzmanının rotorun rezonans frekanslarını belirlemesine olanak tanır.

Şüpheli bir rezonans noktasından geçerken faz değişmiyorsa, genlik artışı rastgele uyarımla ilgili olabilir ve rotor rezonansı değildir. Bu gibi durumlarda, kalkış/durdurma sırasında titreşim ölçümlerine ek olarak, "darbe testi" yapılması önerilir.

Çok kanallı bir titreşim analizörü kullanıldığında, sistemin giriş ve çıkış sinyalleri aynı anda ölçülerek, aynı zaman diliminde toplanan titreşim fazı ve koherans kontrol edilerek bir yapının rezonansı büyük bir doğrulukla belirlenebilir. Koherans, sistemin giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki doğrusallık derecesini değerlendirmek için kullanılan çift kanallı bir fonksiyondur. Bu, rezonans frekanslarının önemli ölçüde daha hızlı bir şekilde belirlenebileceği anlamına gelir.

7. Makine Rezonansı Hakkında Bazı Hususlar

Rezonans testini karmaşıklaştırabilecek farklı makine türleri ve çalışma modlarının analizine dikkat edilmelidir:

Yatay ve dikey yönlerdeki yapısal rijitlik farklılıkları nedeniyle, rezonans frekansı yöne bağlı olarak değişecektir. Bu nedenle, rezonanslar belirli bir yönde en güçlü şekilde kendini gösterebilir.

Daha önce de belirtildiği gibi, makine çalışırken ve durdurulduğunda (kapatıldığında) rezonans frekansları farklılık gösterir. Dikey ekipmanlar, kural olarak, büyük endişe kaynağıdır, çünkü bu tür ekipmanların çalışması sırasında, konsola monte edilmiş bir elektrik motorunun çalışması esnasında her zaman bir rezonans meydana gelir.

Bazı makinelerin kütlesi büyüktür ve bu nedenle çekiçle uyarılmaları mümkün değildir; gerçek rezonans frekanslarını belirlemek için alternatif uyarma yöntemleri gereklidir. Bazen, çok büyük makinelerde, titreşim sırasında her bir frekansta büyük miktarda enerji iletebilme özelliğine sahip olduğu için, belirli bir frekans aralığına ayarlanmış bir vibratör kullanılır.

Ve son bir husus daha — rezonans testi yapmadan önce, öncelikle arka plan titreşim seviyesini (çevredeki rastgele uyarılara verilen tepki) ölçmek çok faydalıdır. Bu, arka plan seviyesinin üzerindeki belirli bir frekanstaki maksimum salınım genliğine dayalı olarak teşhisin (sistem rezonansı) belirlenmesinde hata yapılmasını önlemeye yardımcı olacaktır.

8. Özet

Bu makalede, rezonans frekanslarının makine titreşimi üzerindeki etkisini ele aldık. Tüm yapılar ve makineler rezonans frekanslarına sahiptir, ancak makineyi uyaran frekanslar yoksa rezonans makineyi etkilemez. Makinenin titreşimi kendi doğal frekansı tarafından uyarılıyorsa, sistemi rezonanstan uzaklaştırmak için üç seçenek vardır:

Seçenek 1. Bozucu kuvvetin frekansını rezonans frekansından uzaklaştırın.

Seçenek 2. Rezonans frekansını, bozucu kuvvetin frekansından uzaklaştırın.

Seçenek 3. Rezonans yükseltme faktörünü azaltmak için sistemin sönümleme özelliğini artırın.

2. ve 3. seçenekler genellikle, yapı üzerinde modal analiz ve/veya sonlu elemanlar çalışması yapılmadıkça gerçekleştirilemeyen bazı yapısal değişiklikler gerektirir.