Hiểu về cộng hưởng trong hệ thống cơ học
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 nhiên. Khi sự khớp tần số đó xảy ra, hệ thống bắt đầu rung động với biên độ cực lớn: năng lượng từ lực đầu vào được chuyển vào hệ thống với hiệu quả cao, vì vậy rung động tăng lên đáng kể theo chu kỳ. Yếu tố duy nhất cuối cùng giới hạn biên độ ở cộng hưởng là giảm chấn. Hiểu biết và tránh cộng hưởng là một trong những nhiệm vụ trọng tâm của động lực học rotor và chẩn đoán máy móc, bởi vì rất ít các điều kiện có thể phá hủy thiết bị nhanh như vậy.
1. Định nghĩa: Cộng hưởng là gì?
Cộng hưởng được hiểu rõ nhất như một câu hỏi về timing, không phải lực. Một kích thích khiêm tốn, được tác dụng đúng theo nhịp riêng của cấu trúc, sẽ tạo ra phản ứng lớn hơn nhiều so với một lực mạnh hơn nhiều được tác dụng ngoài đồng bộ. Mỗi đầu vào đúng thời gian sẽ cung cấp nhiều năng lượng hơn so với cản có thể loại bỏ trong suốt chu kỳ đó, vì vậy biên độ sẽ tăng cho đến khi năng lượng tán xạ bởi cản mỗi chu kỳ cuối cùng cân bằng với năng lượng được cung cấp. Trong một hệ thống cản nhẹ, điểm cân bằng đó chỉ được đạt được ở một biên độ rất cao — đó là lý do tại sao cộng hưởng nguy hiểm. Tần số mà nó xảy ra là tần số tự nhiên, được xác định hoàn toàn bởi khối lượng và độ cứng.
2. 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.
Phép loại suy cổ điển là đẩy một đứa trẻ trên xích đu:
- Xích đu, có đứa trẻ trên đó, có tần số tự nhiên cụ thể được xác định bởi độ dài sợi dây (độ cứng của nó) và khối lượng của đứa trẻ.
- Một cú đẩy làm cho nó dao động ở tần số tự nhiên đó và dần dần yên tĩnh lại do cản — sức cản không khí và ma sát.
- Nếu bạn định thời cho mỗi cú đẩy để khớp với tần số tự nhiên của xích đu, mỗi cú đẩy sẽ cung cấp năng lượng và xích đu sẽ đi lên cao hơn. Đó là cộng hưởng.
- Nếu bạn đẩy với tốc độ sai — quá nhanh hoặc quá chậm — các cú đẩy của bạn sẽ không đồng bộ với chuyển động và không thể tạo ra biên độ lớn.
Mối quan hệ khối lượng và độ cứng giống nhau chi phối các thành phần máy. Bạn có thể khám phá nó một cách định lượng với công cụ của chúng tôi Máy tính Tần số Tự nhiên dành cho một hệ thống lò xo-khối lượng đơn giản, hoặc, đối với các trục quay có tần số tự nhiên trùng với tốc độ chạy, Máy tính Tốc độ Tới hạn Rotor.
3. Tại sao cộng hưởng là vấn đề trong máy móc?
Trong máy móc quay, cộng hưởng là một điều kiện cực kỳ phá hủy và nguy hiểm. “Cú đẩy” được cung cấp bởi bất kỳ lực tuần hoàn nào mà máy tạo ra trong hoạt động bình thường — mất cân bằng, sự không thẳng hàng, hoặc blade-pass lực trong số đó. Nếu tần số của một trong những lực này trùng với tần số tự nhiên của rotor, nền móng, cấu trúc hỗ trợ hoặc ống dẫn gắn kèm, hậu quả có thể rất nghiêm trọng:
- Mức rung động cực kỳ cao: biên độ có thể được khuếch đại mười, năm mươi hoặc thậm chí hàng trăm lần, tùy thuộc vào mức độ tắt dần hiện có.
- Ứng suất động cao: các chuyển vị lớn gây ra ứng suất tuần hoàn khổng lồ trên các linh kiện, thúc đẩy sự hỏng hóc nhanh chóng Mệt mỏi.
- Hư hỏng thảm họa: cộng hưởng có thể tạo ra cracked shafts, vòng bi bị hỏng, các điểm hàn bị gãy và sự hỏng hóc cấu trúc hoàn toàn trong thời gian ngắn một cách đáng kỳ.
- Tiếng ồn quá mức: rung động cao bức xạ thành tiếng ồn to và thường tonal.
Một trường hợp đặc biệt và đặc biệt quan trọng là tốc độ tới hạn — tốc độ rotor mà tại đó kích thích chạy tại tốc độ (1×) trùng với tần số tự nhiên của rotor. Các máy được thiết kế cố ý để chạy tránh các tốc độ tới hạn của chúng, và vượt qua chúng một cách nhanh chóng trong quá trình tăng tốc và hạ tốc.
4. Triệu chứng và Nhận dạng Cộng hưởng
Cộng hưởng có một bộ triệu chứng khác biệt giúp chẩn đoán và phân biệt nó với một forced-vibration vấn đề như mất cân bằng đơn giản:
- Rung động rất có hướng: rung động thường cao hơn nhiều theo một hướng — thường là ngang — so với các hướng khác, vì độ cứng cấu trúc khác nhau theo hướng.
- Đỉnh sắc nét trong rung động so với tốc độ: rung động cao chỉ trong dải tốc độ hẹp; khi máy tăng tốc độ hoặc giảm tốc độ vượt qua điểm đó, biên độ giảm xuống đáng kỳ.
- Chuyển dịch pha 180 độ: khi tốc độ quét qua tần số cộng hưởng, cái giai đoạn của rung động thay đổi 180 độ. Đảo ngược pha này là xác nhận rõ ràng của cộng hưởng.
- Khó cân bằng: cố gắng cân bằng một rotor hoạt động trên cộng hưởng thường không hiệu quả hoặc có thể làm tình hình tồi tệ hơn — các trọng số hiệu chỉnh cần thiết có giá trị bất thường lớn hoặc nhỏ, và rung động có thể chỉ đơn giản là dịch chuyển sang một vị trí khác.
Cộng hưởng được xác nhận bằng thực nghiệm theo hai cách bổ sung. Một kiểm tra va chạm (tác động) kích thích cấu trúc cố định để tiết lộ các tần số tự nhiên của nó trực tiếp. Ngoài ra, một giai đoạn chuẩn bị hoặc trượt tự do kiểm tra ghi lại biên độ và pha khi máy quét qua cộng hưởng được nghi ngờ, với đỉnh biên độ đặc trưng và sự dịch chuyển pha 180 độ được vẽ biểu đồ trên một Biểu đồ Bode.
5. Cách Giải Quyết Vấn Đề Cộng Hưởng
Vì cộng hưởng về bản chất là vấn đề khớp tần số, mọi giải pháp đều dẫn đến việc thay đổi tần số tự nhiên của “người tác động” hoặc “vật bị tác động” — hoặc tản xả năng lượng nhanh hơn:
- Thay đổi tần số kích thích. Thông thường điều này có nghĩa là thay đổi tốc độ hoạt động của máy. Đây là cách khắc phục đơn giản nhất khi quy trình cho phép, và trên các ổ đĩa có tốc độ biến đổi, vùng tốc độ bị cấm có thể được lập trình.
- Thay đổi tần số tự nhiên. Đây là giải pháp phổ biến nhất.
- To tăng tần số tự nhiên, tăng độ cứng của thành phần cộng hưởng — ví dụ bằng cách thêm một thanh chống hoặc một gân cứng.
- To giảm bớt tần số tự nhiên, hoặc là giảm độ cứng hoặc thêm khối lượng đến thành phần.
- Add damping. Khi không thể thay đổi cả hai tần số, việc thêm độ tắt dần — xử lý viscoelastic hoặc bộ tắt dần chuyên dụng — sẽ giảm chiều cao của đỉnh cộng hưởng xuống mức chấp nhận được. Lợi ích của việc thêm độ tắt dần có thể được định lượng với một Máy tính tỷ số cản.
Cần lưu ý rằng cộng hưởng liên quan đến hệ thống hỗ trợ — cộng hưởng cấu trúc or weak độ cứng nền — là nguyên nhân phổ biến và được giải quyết bằng cách tương tự, bằng cách tăng độ cứng, thêm khối lượng, hoặc tắt dần phần tử có vấn đề.
6. Cộng Hưởng và Cân Bằng Tại Chỗ
Mối liên hệ giữa cộng hưởng và cân bằng là một bẫy thực tế đáng tránh. Vì rotor hoạt động gần cộng hưởng cung cấp các phép đo biên độ và pha sai lệch và không ổn định, trước tiên bạn phải xác nhận rằng máy không chạy trên cộng hưởng trước khi cố gắng cân bằng nó. Tại chỗ điều này rất đơn giản với bộ phân tích hai kênh di động như Balanset-1A: phép đo quá trình khởi động và dừng dần của nó ghi lại biên độ và pha trong toàn bộ dải tốc độ, phơi bày bất kỳ đỉnh cộng hưởng nào và sự dịch chuyển pha 180 độ, trong khi tachometer laser của nó cung cấp tham chiếu pha. Khi máy được xác nhận chạy thoải mái xa khỏi cộng hưởng, cùng một dụng cụ tính toán trọng số hiệu chỉnh và xác minh kết quả với cân bằng dung sai — trong khi cố gắng sửa chữa trên cộng hưởng sẽ chỉ theo đuổi triệu chứng.
