Hiểu về cộng hưởng trong hệ thống cơ học

Định nghĩa: Cộng hưởng là gì?

Sự cộng hưởng là một hiện tượng vật lý xảy ra khi một hệ thống chịu tác động của một lực tuần hoàn ở tần số phù hợp với một trong các lực của chính nó tần số tự nhiênKhi sự trùng khớp tần số này xảy ra, hệ thống bắt đầu rung động với biên độ cực lớn. Năng lượng từ lực đầu vào được truyền đến hệ thống rất hiệu quả, khiến độ rung tăng lên đáng kể. Yếu tố duy nhất giới hạn biên độ cộng hưởng là hệ thống. giảm chấn.

Mối liên hệ giữa tần số tự nhiên và cộng hưởng

Để hiểu về cộng hưởng, trước tiên bạn phải hiểu về tần số tự nhiên. Mỗi vật thể vật lý đều có một tập hợp các tần số tự nhiên mà tại đó chúng sẽ rung động nếu bị tác động. Những tần số này được xác định bởi khối lượng và độ cứng của vật thể. Cộng hưởng là hiện tượng xảy ra khi bạn liên tục "đẩy" vật thể với cùng một tốc độ chính xác như một trong các tần số tự nhiên của nó.

Một phép so sánh kinh điển là đẩy một đứa trẻ trên xích đu:

• Chiếc xích đu có trẻ ngồi trên có tần số tự nhiên cụ thể dựa trên độ dài của dây (độ cứng) và khối lượng của trẻ.
• Nếu bạn đẩy nhẹ chiếc xích đu, nó sẽ dao động theo tần số tự nhiên và cuối cùng dừng lại do lực cản (sức cản của không khí và ma sát).
• Nếu bạn căn thời gian đẩy bóng sao cho khớp hoàn toàn với tần số tự nhiên của cú đánh, mỗi cú đẩy sẽ bổ sung thêm năng lượng cho hệ thống và cú đánh sẽ ngày càng cao hơn. Đây chính là sự cộng hưởng.
• Nếu bạn đẩy ở tần số không đúng (quá nhanh hoặc quá chậm), lực đẩy của bạn sẽ không đồng bộ với chuyển động vung và bạn sẽ không thể tạo ra được biên độ lớn.

Tại sao cộng hưởng lại là vấn đề trong máy móc?

Trong máy móc quay, cộng hưởng là một trạng thái cực kỳ nguy hiểm và có tính phá hủy cao. "Lực đẩy" được tạo ra bởi bất kỳ lực tuần hoàn nào do hoạt động của máy, chẳng hạn như lực mất cân bằng, lực lệch, hoặc lực cắt cánh. Nếu tần số của một trong những lực này trùng với tần số tự nhiên của rô-to, móng, kết cấu đỡ hoặc đường ống gắn liền của máy, hậu quả có thể rất nghiêm trọng:

• Mức độ rung động cực đại: Biên độ có thể được khuếch đại 10, 50 hoặc thậm chí hàng trăm lần, tùy thuộc vào lượng giảm chấn.
• Ứng suất động cao: Độ lệch lớn gây ra áp lực rất lớn lên các bộ phận, dẫn đến hiện tượng mỏi nhanh chóng.
• Thất bại thảm khốc: Hiện tượng cộng hưởng có thể dẫn đến nứt trục, hỏng ổ trục, gãy mối hàn và hỏng toàn bộ kết cấu chỉ trong một thời gian rất ngắn.
• Tiếng ồn quá mức: Mức độ rung động cao phát ra âm thanh lớn và thường có âm sắc.

Triệu chứng và Nhận dạng Cộng hưởng

Bệnh cộng hưởng có một loạt các triệu chứng rất riêng biệt giúp chẩn đoán bệnh:

• Rung động có tính định hướng cao: Độ rung thường cao hơn nhiều theo một hướng (ví dụ: theo chiều ngang) so với các hướng khác.
• Đỉnh sắc nét trong độ rung so với tốc độ: Độ rung chỉ cao trong một phạm vi tốc độ rất hẹp. Khi máy tăng tốc hoặc giảm tốc độ vượt quá ngưỡng này, độ rung giảm đáng kể.
• Sự dịch pha 180 độ: Khi tốc độ của máy vượt qua tần số cộng hưởng, pha rung động sẽ dịch chuyển 180 độ. Đây là sự xác nhận chắc chắn về hiện tượng cộng hưởng.
• Khó cân bằng: Việc cố gắng cân bằng rotor đang hoạt động trên hiện tượng cộng hưởng thường không hiệu quả hoặc thậm chí có thể khiến vấn đề trở nên tồi tệ hơn. Các quả cân hiệu chỉnh cân bằng sẽ lớn hoặc nhỏ bất thường, và rung động có thể di chuyển đến một vị trí khác.

Sự cộng hưởng được xác nhận bằng thực nghiệm bằng cách sử dụng một thử nghiệm va chạm (hoặc va đập) để xác định tần số tự nhiên của cấu trúc hoặc bằng cách thực hiện thử nghiệm chạy đà/chạy đà để quan sát sự thay đổi về biên độ và pha khi máy đi qua vùng cộng hưởng nghi ngờ.

Cách giải quyết vấn đề cộng hưởng

Vì cộng hưởng là một vấn đề về sự phù hợp tần số nên giải pháp luôn liên quan đến việc thay đổi tần số của "bộ đẩy" hoặc "bộ đẩy":

1. Thay đổi tần số ép buộc: Điều này thường có nghĩa là thay đổi tốc độ hoạt động của máy. Đây là giải pháp đơn giản nhất nếu khả thi.
2. Thay đổi tần số tự nhiên: Đây là giải pháp phổ biến nhất.
   • To tăng tần số tự nhiên, bạn phải tăng độ cứng của thành phần cộng hưởng (ví dụ, bằng cách thêm thanh giằng hoặc thanh nẹp).
   • To giảm bớt tần số tự nhiên, bạn có thể giảm độ cứng hoặc thêm khối lượng đến thành phần.
3. Thêm giảm chấn: Trong một số trường hợp không thể thay đổi tần số, việc bổ sung lực giảm chấn (ví dụ, bằng vật liệu nhớt đàn hồi hoặc bộ giảm chấn chuyên dụng) có thể làm giảm biên độ của đỉnh cộng hưởng xuống mức chấp nhận được.

← Quay lại Mục lục chính