Розуміння резонансу кадру
Резонанс кадру є особливою формою структурний резонанс при якому рама, корпус, кожух або кожух машини вібрують на одній зі своїх власні частоти у відповідь на збудження від обертових елементів. На відміну від фундаменту або pedestal На відміну від резонансів, пов’язаних з опорною конструкцією під машиною, резонанс рами виникає в самому корпусі машини — чавунній або сталевій конструкції, що оточує обертові елементи. Коли частота збудження збігається з власною частотою рами, резонанс посилює рух набагато сильніше, ніж це зробила б сама лише рушійна сила.
Резонанс каркаса часто зустрічається в машинах з великими, відносно легкими корпусами — вентиляторах, нагнітачах, насосах та двигунах. Зазвичай це проявляється у вигляді надмірного шуму, помітної вібрації кришок або панелей, а також високого вібрація показники на рамі, які абсолютно не відповідають фактичній вібрації ротора. Оскільки ця ознака виглядає тривожно, резонанс рами є однією з найпоширеніших помилок у діагностиці на виробництві: аналітик бачить надзвичайно високі показники і визнає ротор, який насправді ідеально збалансований, непридатним.
1. Визначення: Що таке резонанс рами?
Кожна конструкція має набір власних частот і відповідних форм коливань, при яких вона схильна до деформації. Рама машини не є винятком. Її стінки, торцеві кришки, опори та панелі мають свої режими згину та кручення, а тонка кришка може мати кілька власних режимів у чутному діапазоні. Доки ці частоти не перетинаються з частотами збудження машини, рама просто безшумно передає зусилля. Проблеми починаються, коли робоча частота збігається з режимом рами, і конструкція починає вібрувати.
Характерною ознакою резонансу рами є amplification: рама рухається в кілька разів більше, ніж підшипники, які вона оточує. Енергія надходить від ротора, але реакція припадає на конструкцію. Саме тому показники, отримані на рамі, можуть бути в п’ять-десять разів вищими, ніж показники на корпусі підшипника, розташованому всього за кілька сантиметрів. Основною властивістю, яка визначає, де саме виникають ці моди, є жорсткість щодо маси — якщо посилити жорсткість рами, частоти зростають; якщо додати масу, вони знижуються.
2. Типові випадки резонансу рами
Рами двигунів і генераторів
- Власні частоти: зазвичай 50–400 Гц, залежно від розміру та конструкції.
- Збудження: 1× (дисбаланс), подвійна частота мережі (120 Гц при напрузі 60 Гц, 100 Гц при 50 Гц) та електромагнітні сили, пов’язані з електрична частота.
- Симптоми: вібрація рами значно перевищує вібрацію підшипників; чутний гул або дзижчання.
- Ступінь тяжкості: навантаження на раму може бути в 5–10 разів більшим, ніж на підшипники.
Корпуси вентиляторів та нагнітачів
- Власні частоти: 20–200 Гц для типових промислових вентиляторів.
- Збудження: частота проходження лопатей (кількість лопатей × обертів за хвилину).
- Симптоми: Панелі корпусу сильно вібрують; гучний аеродинамічний шум
- Характеристика: можуть виникати лише при певних швидкостях або умовах потоку.
Pump casings
- Власні частоти: 30–300 Гц залежно від конструкції корпусу.
- Збудження: частота проходження лопатки та гідравлічні пульсації.
- Симптоми: вібрація корпусу, шум та ризик виникнення втомних тріщин.
- Гідравлічна муфта: корпус, заповнений рідиною, може спричиняти синхронні коливання ротора та корпусу, що ускладнює ситуацію.
Корпуси редукторів
- Excited by частота зачеплення зубчастих коліс.
- Власні частоти рами часто збігаються з частотою сітки та її гармоніками.
- При резонансі видає характерний гучний скрип шестерні.
3. Характеристики вібрації та її виявлення
Характерні симптоми
- Залежно від місцезнаходження: рівень вібрації різко змінюється по всій поверхні рами — різниця між окремими точками часто досягає 10 разів.
- Підшипник проти рами: вібрація рами значно перевищує вібрацію підшипників (часто у 3–10 разів).
- Для конкретної частоти: проблема виникає лише на резонансній частоті; на інших частотах все виглядає нормально.
- Залежність від швидкості: значне відхилення в межах вузького діапазону (±10–20 % від резонансної швидкості).
- Visual motion: рух кадрів часто помітний неозброєним оком.
Тест на удар
Вирішальний тест. Ударте по рамі гумовим молотком або молотком з датчиками, виміряйте реакцію за допомогою акселерометр, а також визначити власні частоти рами за піками на частотній характеристиці. Порівняння цих піків із робочими частотами (1×, 2×, частота обертання лопатей тощо) одразу виявляє будь-які небезпечні збіги. Див. тест на ударну чутливість і ударне тестування щоб ознайомитися з повною процедурою.
Обстеження за допомогою пересувного акселерометра
Під час роботи машини виміряйте рівень вібрації в багатьох точках по всій рамі та складіть карту вібрації, на якій позначте зони з високим і низьким рівнем вібрації. Ця схема дозволяє визначити форму коливального режиму — згинання, кручення або прогинання панелей — а також визначити антивузли (максимальне переміщення) та вузли (мінімальне переміщення). Повна аналіз форми деформації під навантаженням (ODS) ініціює цю пропозицію та офіційно модальний аналіз виділяє базові режими.
Вимірювання передавальної функції
Виміряйте узгодженість між вібрацією підшипника (вхідним сигналом) та вібрацією корпусу (вихідним сигналом). Висока когерентність на певній частоті свідчить про те, що рух корпусу зумовлений збуджуючим сигналом ротора та резонує з ним. передавальна функція саме це визначає коефіцієнт підсилення.
4. Підтвердження резонансу в полі
Перш ніж проводити жорсткість будь-якої конструкції або втручатися в роботу ротора, необхідно підтвердити діагноз — а це означає, що потрібно виміряти фактичну поведінку ротора окремо від поведінки рами. Портативний двоканальний аналізатор, такий як Балансет-1а це пояснює все дуже просто: аналітик може фіксувати амплітуда і фаза і повний спектр на корпусі підшипника, після чого перемістіть датчик на підозрілу панель і спостерігайте за зростанням рівня на резонансній частоті під час зміни фази в конструктивному режимі. Якщо 1× вібрація ротора на підшипнику незначна, а на рамі — значна, то висновок такий: це резонанс, а не дисбаланс. Цей самий прилад дозволяє провести пробне балансування ротора, щоб виключити або підтвердити дисбаланс, а також виконати вибіг, щоб резонансний пік з'явився під час проходження швидкості через нього.
5. Рішення та заходи щодо пом’якшення наслідків
Модифікації, що забезпечують жорсткість
- Додайте конструктивні ребра жорсткості або кутові вставки: підвищує жорсткість на згин, збільшує власну частоту вище діапазону збудження, є економічно вигідним і може бути встановлено на вже існуюче обладнання.
- Збільшити товщину матеріалу: Збільшення товщини стінок або панелей каркаса значно підвищує жорсткість і частоту, хоча для цього можуть знадобитися нові виливки або металоконструкції.
- Конструктивні зв'язки та розпірки: З'єднання протилежних сторін рами запобігає її вигину; поперечні розпірки підвищують жорсткість на кручення і часто можуть встановлюватися зовні.
Mass addition
- Знизити власну частоту: збільшити масу, щоб знизити частоту нижче діапазону збудження.
- Стратегічне розміщення: додайте масу в місцях антивузлів для досягнення максимального ефекту.
- Tuned mass: ретельно розрахована маса зміщує певний небажаний режим.
- Компроміс: Додаткова вага не завжди є бажаною.
Незалежно від того, чи вирішите ви збільшити чи зменшити частоту, швидкий розрахунок допоможе вам уникнути наступної резонансної смуги. А калькулятор власних частот фундаменту і калькулятор коефіцієнта демпфірування допоможе вам приблизно визначити, де буде розташована модифікована конструкція, ще до початку різання металу.
Процедури з демпфування
- Демпфірування з обмеженим шаром: віскоеластичний шар, розміщений між металевими обшивками, що застосовується на великих плоских панелях та кришках. Знижує резонансний пік на 50–80 % і ефективно працює в діапазоні частот приблизно від 20 до 500 Гц.
- Демпфірування вільного шару: демпфуючий матеріал, приклеєний безпосередньо до вібруючої поверхні — простіший у порівнянні з методом обмеженого шару, але менш ефективний; доцільний у випадках, коли доступ обмежений.
Зміни в роботі
- Зміна швидкості: працювати на швидкості, за якої не виникає резонанс.
- Зменшення збудження: вдосконалюватися баланс і вирівнювання щоб зменшити амплітуду збудження, яке живить резонанс.
- Зміни в процесі: Змінити потік, тиск або навантаження для зміщення частот збудження
6. Профілактика на етапі проектування
Принципи проектування
- Належна жорсткість: розробити конструкцію рами таким чином, щоб її власні частоти були вище, ніж удвічі вища частота збудження.
- Розподіл маси: уникайте скупчень людей, які створюють низькочастотні коливання.
- Ребра жорсткості та армування: з самого початку передбачити елементи жорсткості.
- Модальний аналіз: використовувати метод кінцевих елементів (МКЕ) на етапі проектування для прогнозування та оптимізації власних частот.
Перевірка проекту
- Випробування прототипу з аналізом наслідків.
- Вимірювання форми прогину під час експлуатації на перших побудованих агрегатах.
- У разі виявлення резонансів слід переглянути конструкцію перед початком виробництва.
7. Практичний приклад
Ситуація: 75-сильний двигун, що приводить у дію відцентровий вентилятор, який створює надмірний шум і вібрацію.
- Симптоми: вібрація корпусу двигуна становить 12 мм/с; вібрація підшипника — лише 2,5 мм/с.
- Частота: 120 Гц (подвійна частота мережі при напрузі живлення 60 Гц).
- Impact test: виявила власну частоту коливань рами на рівні 118 Гц — майже точно на частоті збудження.
- Першопричина: рама резонувала на частоті електромагнітного збудження.
- Рішення: було додано чотири кутові металеві накладки, що з'єднують опори двигуна з торцевими кришками.
- Результат: власна частота рами змістилася до 165 Гц, а амплітуда коливань знизилася до 3,2 мм/с — що цілком укладається в допустимі межі згідно з ISO 20816-3 (сучасний замінник стандарту ISO 10816-3).
- Вартість: приблизно 200 доларів на матеріали проти близько 8 000 доларів на заміну двигуна.
Резонанс рами — це поширена проблема, пов’язана з вібрацією, яку, однак, часто неправильно діагностують. Виявлення характерних ознак — сильна вібрація рами порівняно з вібрацією підшипників, чітко виражена частотна специфіка та значна залежність від місця розташування — та застосування відповідних методів діагностики (випробування на удар та аналіз даних ODS) дозволяють вжити цілеспрямованих заходів, які можуть значно зменшити вібрацію за досить помірних витрат.
