1. Cộng hưởng là gì?

Hầu hết các cấu trúc và máy móc đều trải qua dao động tự nhiên, do đó các lực tác động bên ngoài có tính chu kỳ lên chúng có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng. Cộng hưởng thường được gọi là dao động ở tần số tự nhiên hoặc tần số tới hạn. Cộng hưởng là hiện tượng biên độ dao động cưỡng bức tăng đột ngột., Hiện tượng này xảy ra khi tần số kích thích bên ngoài tiến gần đến tần số cộng hưởng được xác định bởi các đặc tính của hệ thống. Sự tăng biên độ dao động chỉ là hệ quả của hiện tượng cộng hưởng — nguyên nhân là do sự trùng khớp giữa tần số bên ngoài (kích thích) với tần số bên trong (tự nhiên) của hệ thống dao động (rôto-ổ trục).

Cộng hưởng là hiện tượng mà tại đó, ở một tần số nhất định của lực kích thích, hệ thống dao động trở nên đặc biệt nhạy cảm với tác động của lực đó. Các thông số hệ thống như độ cứng thấp và/hoặc độ giảm chấn yếu, tác động lên rôto máy ở tần số cộng hưởng, có thể dẫn đến hiện tượng cộng hưởng. Cộng hưởng không nhất thiết dẫn đến hỏng máy hoặc lỗi linh kiện, trừ khi các khuyết tật trong máy gây ra rung động, hoặc khi một máy móc được lắp đặt gần đó "tạo ra" rung động ở cùng tần số với tần số tự nhiên.

Điều này tương tự như sự dao động của một cái chuông hoặc một cái trống. Trong trường hợp của một cái chuông (Hình 1), toàn bộ năng lượng của nó ở dạng thế năng khi nó đứng yên và ở điểm cao nhất của quỹ đạo, và khi nó đi qua điểm thấp nhất với vận tốc cực đại, năng lượng chuyển hóa thành động năng. Thế năng tỷ lệ thuận với khối lượng của chuông và độ cao của điểm nâng so với điểm thấp nhất; động năng tỷ lệ thuận với khối lượng và bình phương vận tốc tại điểm đo. Nghĩa là, nếu bạn đánh vào chuông, nó sẽ cộng hưởng ở một tần số cụ thể (hoặc nhiều tần số). Nếu nó đứng yên, nó sẽ không dao động ở tần số cộng hưởng.

Hiện tượng cộng hưởng là một đặc tính của máy móc dù đang hoạt động hay không. Cần lưu ý rằng độ cứng động của trục khi máy quay có thể khác biệt đáng kể so với độ cứng tĩnh khi máy dừng, trong khi sự cộng hưởng chỉ thay đổi không đáng kể.

Có một quy tắc đã được thiết lập, dựa trên kinh nghiệm thực tiễn, quy tắc đó là: Tần số cộng hưởng đo được trong quá trình tắt máy (dừng tự do) thấp hơn khoảng 20% so với tần số dao động cưỡng bức.. Tần số cộng hưởng của các cụm máy và các bộ phận riêng lẻ — chẳng hạn như trục, rôto, vỏ và đế — là các dao động ở tần số tự nhiên của chúng.

Sau khi lắp đặt máy, tần số cộng hưởng có thể thay đổi giá trị do sự thay đổi các thông số hệ thống (khối lượng, độ cứng và độ giảm chấn), sau khi kết nối tất cả các cơ cấu của máy thành một khối thống nhất, các giá trị này có thể tăng hoặc giảm. Ngoài ra, như đã đề cập ở trên, độ cứng động có thể làm dịch chuyển tần số cộng hưởng khi máy hoạt động ở tốc độ quay định mức. Hầu hết các máy được thiết kế sao cho rôto không có tần số tự nhiên giống với trục. Một máy gồm một hoặc hai cơ cấu không nên hoạt động ở tần số cộng hưởng. Tuy nhiên, do hao mòn và thay đổi khe hở, tần số tự nhiên rất thường dịch chuyển về phía tốc độ quay hoạt động, gây ra hiện tượng cộng hưởng.

Sự xuất hiện đột ngột của các dao động ở tần số lỗi — chẳng hạn như khớp nối lỏng lẻo hoặc lỗi khác — có thể khiến máy rung ở tần số cộng hưởng của nó. Trong trường hợp này, độ rung của máy sẽ tăng từ mức chấp nhận được lên mức không chấp nhận được nếu các dao động này do sự cộng hưởng của các cụm hoặc các bộ phận máy gây ra.

2. Hiện tượng cộng hưởng trong quá trình khởi động và tắt máy (Hình 2)

Hiện tượng cộng hưởng có thể được quan sát trong quá trình khởi động máy, khi máy đi qua tần số cộng hưởng (Hình 2). Khi tốc độ quay tăng lên, biên độ sẽ tăng đến giá trị cực đại tại tần số cộng hưởng (n)._res) và giảm dần sau khi đi qua điểm cộng hưởng. Khi rôto đi qua điểm cộng hưởng, thì sự thay đổi pha dao động 180 độ. Tại điểm cộng hưởng, dao động của hệ thống lệch pha 90 độ so với dao động của lực kích thích.

Sự lệch pha 180 độ thường chỉ được quan sát thấy trên các rôto có một mặt phẳng hiệu chỉnh duy nhất (Hình 3, bên trái). Các hệ thống "trục/rôto-ổ trục" phức tạp hơn (Hình 3, bên phải) có sự lệch pha nằm trong khoảng từ 160° đến 180°. Bất cứ khi nào một chuyên gia phân tích rung động quan sát thấy biên độ dao động cao, họ nên cho rằng sự gia tăng đến mức không thể chấp nhận được có thể liên quan đến hiện tượng cộng hưởng của hệ thống.

3. Cấu hình rôto (Hình 3)

Hành vi dao động của rôto phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng và cách nó được đỡ. Một rôto đơn giản với một mặt phẳng hiệu chỉnh duy nhất (một đĩa nhô ra) cho thấy sự lệch pha 180° rõ ràng thông qua hiện tượng cộng hưởng. Một hệ thống phức tạp hơn — chẳng hạn như hai rôto được kết nối thông qua một trục các đăng — thể hiện nhiều chế độ ghép nối và sự lệch pha có thể khác với 180° lý tưởng.

4. Khối lượng, Độ cứng và Độ giảm chấn (Hình 4–7)

Khối lượng, độ cứng và độ giảm chấn — đây là ba thông số của hệ dao động ảnh hưởng đến tần số và làm tăng biên độ dao động ở trạng thái cộng hưởng.

Khối Nó mô tả các đặc tính của vật thể và là thước đo quán tính của nó (khối lượng càng lớn, gia tốc mà nó đạt được dưới tác dụng của lực tuần hoàn càng nhỏ), điều này gây ra sự dao động của nó.

Độ cứng là một đặc tính của hệ thống chống lại các lực quán tính phát sinh do lực khối lượng.

Giảm chấn Đây là một đặc tính của hệ thống giúp giảm năng lượng dao động bằng cách chuyển hóa nó thành năng lượng nhiệt do ma sát trong hệ thống cơ học.

trong đó f_N — tần số tự nhiên, k — độ cứng, m — khối lượng, ζ — hệ số giảm chấn, Q — hệ số phẩm chất (khuếch đại tại cộng hưởng), A_res — biên độ cộng hưởng, F₀ — Biên độ lực kích thích.

Để giảm hiện tượng cộng hưởng, các thông số của hệ thống được lựa chọn sao cho tần số cộng hưởng của nó nằm càng xa tần số kích thích bên ngoài càng tốt. Trên thực tế, người ta sử dụng các thiết bị hấp thụ rung động động học, hay còn gọi là bộ giảm chấn, cho mục đích này.

Mô phỏng tương tác bên dưới (thay thế các hình tĩnh 4–7 từ bài báo gốc) hiển thị đặc tuyến biên độ-tần số (AFC) của một hệ dao động đơn giản gồm khối lượng, lò xo và bộ giảm chấn. Điều chỉnh các thông số để quan sát các hiệu ứng này trong thời gian thực:

Có thể ví von điều này với dây đàn guitar. Bạn càng kéo căng dây đàn (độ cứng càng cao), âm thanh (tần số cộng hưởng) càng cao – cho đến khi dây đứt. Nếu bạn dùng loại dây dày nhất (khối lượng lớn hơn), âm thanh phát ra sẽ thấp hơn.

5. Đo độ cộng hưởng (Hình 8)

Một trong những phương pháp phổ biến nhất để đo tần số cộng hưởng của một cấu trúc là kích thích bằng va đập sử dụng búa có gắn thiết bị đo.

Tác động lên cấu trúc, dưới dạng một cú đánh đầu vào, tạo ra các lực nhiễu loạn nhỏ trong một dải tần số nhất định. Các dao động được tạo ra bởi tác động này thể hiện một quá trình truyền năng lượng thoáng qua, ngắn hạn. Phổ của lực tác động là liên tục, đạt biên độ cực đại ở 0 Hz và giảm dần khi tần số tăng lên.

Thời gian tác động và hình dạng phổ trong quá trình kích thích va đập được xác định bởi khối lượng và độ cứng của cả búa va đập và kết cấu máy. Khi sử dụng búa có kích thước tương đối nhỏ trên kết cấu cứng, độ cứng của đầu búa sẽ quyết định phổ. Đầu búa đóng vai trò như một bộ lọc cơ học. Bằng cách lựa chọn độ cứng của đầu búa, người ta có thể chọn được dải tần số cần khảo sát.

Khi sử dụng kỹ thuật đo này, điều rất quan trọng là phải tác động vào các điểm khác nhau của cấu trúc, vì không phải lúc nào tất cả các tần số cộng hưởng cũng có thể được đo bằng cách tác động và đo tại cùng một điểm. Khi xác định cộng hưởng của máy, cả hai điểm — điểm tác động và điểm đo — đều phải được kiểm chứng (thử nghiệm).

Nếu búa có đầu mềm, phần lớn năng lượng đầu ra sẽ kích thích dao động ở tần số thấp. Búa có đầu cứng cung cấp ít năng lượng ở bất kỳ tần số cụ thể nào, ngoại trừ việc năng lượng đầu ra của nó sẽ kích thích dao động ở tần số cao. Phản ứng với cú đánh búa có thể được đo bằng máy phân tích một kênh, với điều kiện máy đã được dừng và ngắt kết nối.

6. Đặc tính tần số pha biên độ — APFC (Hình 9)

Hiện tượng cộng hưởng của máy có thể được xác định bằng máy phân tích một kênh thông qua sự tăng biên độ dao động ở tần số cộng hưởng và sự thay đổi pha 180 độ khi đi qua điểm cộng hưởng — nếu biên độ và pha của dao động được đo ở tần số quay trong quá trình khởi động (chạy đà) hoặc tắt máy (dừng đà). Đặc tính được xây dựng dựa trên các phép đo này được gọi là... Đặc tính tần số pha biên độ (APFC).

Phân tích APFC (Hình 9) cho phép chuyên gia phân tích rung động xác định các tần số cộng hưởng của rôto.

Nếu pha không thay đổi khi đi qua vùng cộng hưởng nghi ngờ, thì sự tăng biên độ có thể liên quan đến kích thích ngẫu nhiên và không phải là cộng hưởng rôto. Trong những trường hợp như vậy, ngoài việc đo độ rung trong quá trình tăng tốc/giảm tốc, nên thực hiện "thử nghiệm va đập".

Khi sử dụng máy phân tích rung động đa kênh, tần số cộng hưởng của một cấu trúc có thể được xác định với độ chính xác cao bằng cách đo đồng thời tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống, đồng thời kiểm soát pha rung động và độ tương quan thu được trong cùng khoảng thời gian đó. Độ tương quan là một hàm hai kênh được sử dụng để đánh giá mức độ tuyến tính giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống. Điều này có nghĩa là tần số cộng hưởng có thể được xác định nhanh hơn đáng kể.

7. Một số lưu ý về hiện tượng cộng hưởng của máy móc

Cần chú ý đến việc phân tích các loại máy khác nhau và chế độ hoạt động của chúng, vì điều này có thể làm phức tạp quá trình kiểm tra cộng hưởng:

Do sự khác biệt về độ cứng kết cấu theo phương ngang và phương dọc, tần số cộng hưởng sẽ khác nhau tùy thuộc vào hướng. Vì vậy, hiện tượng cộng hưởng có thể biểu hiện mạnh nhất ở một hướng cụ thể.

Như đã thảo luận trước đó, tần số cộng hưởng khác nhau khi máy đang hoạt động so với khi máy dừng (tắt). Thiết bị đặt theo phương thẳng đứng thường gây ra nhiều lo ngại, vì trong quá trình hoạt động của loại thiết bị này luôn có hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong quá trình hoạt động của động cơ điện gắn trên giá đỡ.

Một số máy móc có khối lượng lớn, do đó không thể kích thích bằng búa – cần có các phương pháp kích thích thay thế để xác định tần số cộng hưởng thực tế. Đôi khi, trên các máy móc rất lớn, người ta sử dụng một bộ rung được điều chỉnh theo một dải tần số cụ thể, bởi vì bộ rung có khả năng cung cấp một lượng năng lượng lớn ở mỗi tần số riêng lẻ khi dao động.

Và một điểm cần lưu ý cuối cùng — trước khi tiến hành kiểm tra cộng hưởng, việc đo mức độ rung động nền (phản ứng với kích thích ngẫu nhiên từ môi trường xung quanh) trước tiên là rất hữu ích. Điều này sẽ giúp ngăn ngừa sai sót trong việc xác định chẩn đoán (cộng hưởng hệ thống) dựa trên biên độ dao động tối đa ở một tần số nhất định cao hơn mức nền.

8. Tóm tắt

Trong bài viết này, chúng ta đã thảo luận về ảnh hưởng của tần số cộng hưởng đến dao động của máy móc. Tất cả các cấu trúc và máy móc đều có tần số cộng hưởng, nhưng hiện tượng cộng hưởng không ảnh hưởng đến máy nếu không có tần số nào kích thích nó. Nếu dao động của máy được kích thích bởi tần số tự nhiên của chính nó, thì có ba lựa chọn để điều chỉnh hệ thống ra khỏi trạng thái cộng hưởng:

Phương án 1. Điều chỉnh tần số của lực gây nhiễu ra khỏi tần số cộng hưởng.

Phương án 2. Điều chỉnh tần số cộng hưởng ra khỏi tần số của lực gây nhiễu.

Phương án 3. Tăng độ giảm chấn của hệ thống để giảm hệ số khuếch đại cộng hưởng.

Các phương án 2 và 3 thường yêu cầu một số sửa đổi cấu trúc mà không thể thực hiện được trừ khi đã tiến hành phân tích dao động và/hoặc nghiên cứu phần tử hữu hạn trên cấu trúc đó.