Розуміння резонансу в механічних системах

Визначення: Що таке резонанс?

Резонанс це фізичне явище, яке виникає, коли на систему діє періодична сила з частотою, що відповідає її власній власні частотиКоли відбувається таке узгодження частоти, система починає вібрувати з надзвичайно великими амплітудами. Енергія від вхідної сили передається системі дуже ефективно, що призводить до різкого зростання вібрації. Єдиним фактором, який обмежує амплітуду при резонансі, є система... демпфування.

Зв'язок між власною частотою та резонансом

Щоб зрозуміти резонанс, потрібно спочатку зрозуміти власну частоту. Кожен фізичний об'єкт має набір власних частот, на яких він вібрує, якщо його збурити. Вони визначаються його масою та жорсткістю. Резонанс - це те, що відбувається, коли ви постійно «штовхаєте» об'єкт з точно такою ж швидкістю, як одна з його власних частот.

Класична аналогія — це штовхання дитини на гойдалці:

• Гойдалка з дитиною на ній має певну власну частоту, яка залежить від довжини мотузок (жорсткості) та маси дитини.
• Якщо ви один раз поштовхнете гойдалку, вона коливатиметься з власною частотою і зрештою зупиниться через демпфування (опір повітря та тертя).
• Якщо ви розрахуєте час поштовхів так, щоб він ідеально відповідав природній частоті замаху, кожен поштовх додасть більше енергії до системи, і замах стане все вищим і вищим. Це резонанс.
• Якщо ви натискаєте з неправильною частотою (занадто швидко або занадто повільно), ваші поштовхи будуть несинхронізовані з рухом гойдалки, і ви не зможете наростити велику амплітуду.

Чому резонанс є проблемою в машинах?

У обертових машинах резонанс є дуже руйнівним та небезпечним станом. «Поштовх» забезпечується будь-якою періодичною силою, що генерується роботою машини, такою як дисбаланс, неспіввісність або сили проходження лопатей. Якщо частота однієї з цих сил збігається з власною частотою ротора машини, фундаменту, опорної конструкції або приєднаних трубопроводів, наслідки можуть бути серйозними:

• Екстремальні рівні вібрації: Амплітуди можуть посилюватися в 10, 50 або навіть сотні разів, залежно від ступеня затухання.
• Високі динамічні напруження: Великі прогини створюють величезне навантаження на компоненти, що призводить до швидкої втоми.
• Катастрофічний провал: Резонанс може призвести до тріщин на валах, виходу з ладу підшипників, поломки зварних швів та повного руйнування конструкції за дуже короткий проміжок часу.
• Надмірний шум: Високі рівні вібрації випромінюються як гучний і часто тональний шум.

Симптоми та ідентифікація резонансу

Резонанс має дуже чіткий набір симптомів, які допомагають у його діагностиці:

• Вібрація високої спрямованості: Вібрація зазвичай набагато вища в одному напрямку (наприклад, горизонтальному), ніж в інших.
• Різкий пік вібрації в залежності від швидкості: Вібрація висока лише у дуже вузькому діапазоні швидкостей. Коли машина прискорюється або сповільнюється після перевищення цього діапазону, вібрація різко падає.
• Фазовий зсув на 180 градусів: Коли швидкість машини проходить через резонансну частоту, фаза вібрації зміщується на 180 градусів. Це є остаточним підтвердженням резонансу.
• Важко збалансувати: Спроба збалансувати ротор, який працює в резонансному режимі, часто неефективна або навіть може погіршити проблему. Коригувальні вантажі балансування будуть надзвичайно великими або малими, і вібрація може переміститися в інше місце.

Резонанс підтверджується експериментально за допомогою випробування на удар (або вибивання) визначити власні частоти структури або виконавши випробування на розгін/вибіг спостерігати за змінами амплітуди та фази, коли машина проходить через передбачуваний резонанс.

Як вирішити проблему резонансу

Оскільки резонанс є проблемою узгодження частоти, рішення завжди передбачає зміну частоти або «штовхача», або «штовхача»:

1. Зміна частоти примусового спрацьовування: Зазвичай це означає зміну робочої швидкості машини. Це найпростіше рішення, якщо воно можливо.
2. Зміна власної частоти: Це найпоширеніше рішення.
   • До збільшення власну частоту, ви повинні збільшити жорсткість резонансного компонента (наприклад, шляхом додавання розпірки або косинки).
   • До зменшення власну частоту, ви можете або зменшити жорсткість або додати масу до компонента.
3. Додати демпфування: У деяких випадках, коли частоти неможливо змінити, додавання демпфування (наприклад, за допомогою в'язкопружних матеріалів або спеціалізованих демпферів) може зменшити амплітуду резонансного піку до прийнятного рівня.

← Назад до головного індексу