|

Добрый день коллега! Учитывая многочисленные просьбы рассказать о диагностике резонанса элементов машины, критических скоростях и о собственных формах колебаний ротора, я решил написать несколько статей посвященным этим вопросам.

В первой  статье я расскажу о резонансе элементов и узлов машины. В ней мы с вами рассмотрим следующие вопросы:

• Как определить, что это резонанс элементов машины и, как резонанс влияет на ее вибрацию?
• Как три параметра колебательной системы, влияют на амплитуду и частоту резонанса?
• Как применять одноканальный виброанализатор для анализа и диагностики резонанса системы, а также об ограничениях его использования?

Что такое Резонанс?

Большинство сооружений и машин совершают собственные колебания, поэтому периодические внешние воздействия на них могут вызвать резонанс. Резонансом часто называют колебания с собственной частотой или на критической частоте. Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к резонансным частотам, определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды колебаний — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы (ротор-опора). Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы.

Параметры системы, такие, как низкая жесткость и/или слабое демпфирование, на резонансной частоте воздействуя на роторную машину, могут привести к возникновению резонанса. Резонанс не обязательно приводит к поломке машины или ее узла, за исключением, если дефекты в машине вызывают вибрацию или вблизи установленная машина, «наводит» вибрацию на той же частоте, что и собственные частоты.

Резонанс не создает вибрации, он только усиливает их. Резонанс это не дефект, а свойство механической системы. Поэтому, резонанс не вызывает проблем, если какие-либо колебания не возбуждают его.

Это сопоставимо с колебаниями колокола, или барабана. В случае колебаний колокола (рис.1), вся его энергия содержится в потенциальной форме, когда он неподвижен и находится в верхних точках траектории движения, а при прохождении нижней точки на максимальной скорости, она преобразуется в кинетическую. Потенциальная энергия пропорциональна массе колокола и высоте подъёма относительно нижней точки, кинетическая — массе и квадрату скорости в точке измерения. То есть, если колокол ударить, то он будет резонировать с определенной частотой (или частотами). Если он находится в состоянии покоя, то он не будет совершать колебания на резонансной частоте.

Рис.1 Периодические колебания колокола

Резонанс — это свойство машины, когда она работает или не работает. Следует отметить, что динамическая жесткость вала при вращении машины может сильно отличаться, от статической жёсткости, когда машина не работает, при этом резонанс ее изменяется не существенно.

Есть такое неизменное правило, основанное на практическом опыте, которое гласит, что резонансные частоты, измеренные при останове (выбеге) машины меньше на 20 процентов частоты вынужденных колебаний. Резонансные частоты отдельных узлов и деталей машины, таких как вал, ротор, корпус, и фундамент — это колебания на их собственной частоте.

После монтажа машины резонансные частоты могут поменять свое значение из-за изменения параметров системы (массы, жесткости и демпфирования), которые после соединения всех механизмов машины в единый агрегат могут увеличиться или снизиться. Кроме того, динамическая жесткость, как отмечалось выше, может сдвинуть резонансные частоты, когда машины работают на номинальной частоте вращения. Большинство машин проектируются таким образом, чтобы ротор не имел собственную частоту колебаний такую же, как вал. Машина, состоящая из одного или двух механизмов не должна эксплуатироваться на резонансной частоте. Однако, при ее износе и изменении зазоров в машине, очень часто собственная частота смещается в сторону рабочей частоты вращения, вызывая резонанс.

Внезапное появление колебаний на частоте дефекта, таком как ослабление посадки или другого, могут вызвать колебания машины на резонансной частоте. При этом вибрация машины возрастет с допустимого уровня до недопустимого, если колебания вызваны резонансом узлов или элементов машины.

Рис.2 Амплитудо-фазочастотная характеристика ротора при пуске или останове машины

Например:

Двухскоростная машина работает при 900 об/мин и 1200 об/мин. Машина имеет резонанс на 1200 об/мин, который усиливает вибрацию на частоте вращения 1200об/мин. При 900 об/мин, вибрация составляет 2.54мм/с, а на 1200 об/мин резонанс увеличивает колебания до 12.7 мм/с

Резонанс можно наблюдать при пуске машины, когда она проходит через резонансную частоту (рис.2). Амплитуда при увеличении частоты вращения будет возрастать до максимального значения на резонансной частоте (nрез) , и уменьшаться, после прохождения через нее. При прохождении ротора через резонанс фаза колебаний измениться на 180 градусов. При резонансе колебания системы сдвинуты по фазе на 90 градусов относительно колебаний возбуждающей силы.

Рис.3 Справа колебания ротора имеющего одну плоскость коррекции (диск);

слева колебания сложной системы (двух соединенных роторов).

Сдвиг фаз на 180 градусов часто наблюдается только на роторах имеющих одну единственной плоскость коррекции (рис.3, слева). Более сложные системы «вал/ротор-опора» (рис.3 справа) имеют сдвиг фаз, который находится в пределах 1600 — 180 градусов. Всякий раз, когда специалист по анализу вибрации наблюдает высокую амплитуду колебаний, он должен предполагать, что рост ее до недопустимого уровня, возможно, связан с резонансом системы.

Масса, Жесткость и Демпфирование

Масса, жесткость, и демпфирование – это три параметра колебательной системы, которые воздействуют на частоту и увеличивают амплитуду колебаний при резонансе.

Масса – характеризует свойства тела и является мерой его инерции (чем больше масса тела, тем меньше ускорение оно приобретает под действием периодической силы), которое вызывает его колебания.

Жесткость – свойство системы, которое препятствует силам инерции возникающих в результате действия массовых сил.

Демпфирование – свойство системы, которое уменьшает энергию колебаний путем превращения ее в тепловую энергию вследствие трения в механической системе.

Для уменьшения резонанса параметры системы подбирают так, чтобы ее резонансные частоты располагались как можно дальше от возможных частот внешнего воздействия, для этого в практике используют так называемые динамические гасители колебаний, или демпферы.

Рис.4 Амплитудочастотная характеристика (АЧХ) простейшей колебательной системы состоящей из массы, пружины и демпфера

Увеличивая массу конструкции, уменьшается резонансная частота (рис.5).

Рис.5 АЧХ колебательной системы масса, которой больше, чем у системы, показанной на рис.4

Увеличивая жесткость конструкции, увеличивается резонансная частота (рис.6).

Рис.6 АЧХ колебательной системы жесткость, которой больше, чем у системы, показанной на рис.4

Увеличивая демпфирование конструкции, уменьшается амплитуда резонанса (рис.7).

Демпфирование – это единственное свойство, которое управляет амплитудой вибрации при резонансе конструкции.

Рис.7 АЧХ колебательной системы, демпфирование которой меньше, чем у системы, показанной на рис.4

Увеличение демпфирования конструкции также немного снижает и резонансную частоту. Если увеличить массу конструкции уменьшится резонансная частота, если уменьшить массу, то, резонансная частота увеличиться. Аналогично, если увеличить жесткость конструкции увеличится частота резонанса, когда уменьшаем жесткость, резонансная частота уменьшается.

Аналогию можно провести со струной гитары. Чем сильнее натянуть струну на гитаре (больше жесткости), тем тон звука повышается (резонансная частота) до того момента пока струна не порвётся. Если использовать самую толстую струну (большая масса), то тон звука, издаваемый ею, будет ниже.

Измерение резонанса

Одним из наиболее распространенных методов измерения резонансной частоты конструкции является ударное возбуждение конструкции с помощью ударного молотка.

Воздействие на конструкцию, в виде входного удара вызывает в определенном частотном диапазоне небольшой величины возмущающие силы. Колебания, создаваемые при ударе, представляет собой переходный, кратковременный процесс передачи энергии (рис.8). Спектр ударной силы является непрерывным, с максимальной амплитудой при 0 Гц и с последующим ее уменьшением с ростом частоты.

Рис.8 Продолжительность удара и форма спектра при ударном возбуждении определяется жесткостью головки молотка

Продолжительность удара и форма спектра при ударном возбуждении, определяется массой и жесткостью как ударного молотка, так и конструкцией машины. При применении относительно небольшого молотка на твердой конструкции жесткость головки молотка определяет спектр. Головка молотка действует как механический фильтр. Путем выбора жесткости головки молотка можно выбирать исследуемый частотный диапазон.

При использовании этой методики измерения, очень важно, производить удар по различным точкам конструкции, так как все резонансные частоты конструкции всегда можно измерить, производя удар и измерение в одном и том же месте. При определении резонанса машины, обе точки, точка — удар и точка — измерения должны быть проверенными (испытанными).

Если молоток имеет наконечник из мягкого материала, основное количество энергии на выходе будет возбуждать колебания на низких частотах. Молоток с жестким наконечником отдает мало энергии на конкретной частоте, за исключением энергии на выходе, которая будет возбуждать колебания на высоких частотах. Ответный отклик на удар молотка может быть измерен с помощью одноканального анализатора, при этом машина должна быть остановлена и отключена

Фаза является одним из параметров, подтверждающий резонанс. Фазу колебаний во время испытания на удар нельзя измерить с помощью одноканального анализатора, и поэтому нельзя точно сказать наблюдается ли резонанс на роторе или нет. Для определения фазы необходимо использовать дополнительный датчик оборотов (индукционный или фотоотметчик). Резонанс машины можно определить с помощью одноканального анализатора, как увеличение амплитуды колебания на резонансной частоте и по изменению фазы на 180 градусов при переходе через резонанс, если измерять амплитуду и фазу колебаний на частоте вращении ротора при пуске машины (разворот) или ее останове (на выбеге). Построенная на основании этих измерений характеристика называется амплитудо-фазочастотной характеристикой (АФЧХ). Анализ АФЧХ (рис.9) позволяет специалисту по виброанализу идентифицировать резонансные частоты ротора.

Рис.9 Амплитудо-фазочастотная характеристика ротора генератора при выбеге турбоагрегата

Если фаза не изменяется при прохождении предположительного резонанса, то это увеличение амплитуды может быть связано со случайным возбуждением и не является резонансом ротора. В таких случаях в дополнение к замерам вибрации при развороте/выбеге машины рекомендуется выполнить «тест на удар».

При использовании многоканального виброанализатора можно с большой точностью определить резонанс конструкции, если измерять сигналы на входе и выходе из системы в одно и то же время, при этом необходимо контролировать фазу колебаний и когерентность, которые будут собраны за то же самое время. Когерентность — функция двойного канала, которая используется для оценки степени линейности между сигналами на входе и выходе системы. Это означает, что резонансные частоты можно идентифицировать значительно быстрее.

Некоторые соображения о резонансе машин

• Необходимо уделять внимание анализу различных типов машин и режимам их эксплуатации, которые могут затруднить тестирование резонанса. Из-за различий жёсткости конструкции машины в горизонтальном и вертикальном направлениях, резонансная частота в зависимости от направления будет отличаться. Поэтому резонансы могут наиболее сильно проявляться в определённом направлении.
• Как ранее уже говорилось, резонансные частоты отличаются, при работающей машине или когда она стоит (выключена). Вертикальное оборудование, как правило, очень много причиняет беспокойства, так как при эксплуатации такого оборудования, всегда имеет место резонанс, возникающий во время работы консольно закрепленного электродвигателя.
• Некоторые машины имеют большую массу, поэтому возбудить их с помощью молотка нельзя, для этого требуются альтернативные методы возбуждения для определения реальных резонансных частот. Иногда на очень больших машинах используют вибратор, который настраивается на определённый частотный диапазон, потому что при раскачивании вибратор обладает способностью отдавать в большом количестве энергию на каждой в отдельности частоте.
• И последнее соображение — перед проведением тестирования резонанса очень полезно сначала измерить фоновый уровень вибрации (реакция на случайное возбуждение от воздействия окружающей среды). Это поможет предотвратить ошибку при определении диагноза (резонанс системы), по максимальной амплитуде колебаний на определенной частоте над фоновым уровнем.

Резюме

В этом разделе обсуждалось влияние резонансных частот на вибрацию машины. Все конструкции и машины имеют резонансные частоты, но резонанс не влияет на машину, если нет частот, которые возбуждают его. Если вибрацию машины возбуждает ее собственная частота, то существуют три варианта отстройки системы от резонанса.

1. Сместить частоту возмущающей силы от резонансной частоты.
2. Сместить резонансную частоту от частоты возмущающей силы.
3. Увеличить демпфирование системы, для уменьшения коэффициента усиления резонанса.

Варианты 2 и 3 обычно требуют некоторые изменения в конструкции, которые нельзя выполнить, если модальный анализ и/или изучение исследования конечного элемента не были выполнены на конструкции.

Расскажи друзьям: