Резонанс оборудования: как определить и что делать

Резонанс возникает, когда внешняя сила действует с частотой, совпадающей с собственной частотой машины или конструкции: вибрация многократно усиливается. Его признаки — пик вибрации на определённой скорости, сдвиг фазы и сильная зависимость уровня от направления. Подтверждают ударным тестом и записью выбега или пуска. Лечат, разводя частоты: меняют жёсткость, массу или скорость, ставят гаситель.

Что такое резонанс

Собственная частота есть у любой машины и конструкции. Резонанс — это результат действия внешней силы с частотой, равной собственной частоте системы (Pellegrino, ReliablePlant). На этой частоте вибрация значительно усиливается, что может привести к отказу и простою. Pellegrino называет резонанс очень частой причиной повышенной вибрации машин.

Что происходит физически, хорошо видно на роторе (Mobius Institute):

• примерно до 60 % собственной частоты ротор ведёт себя как жёсткий, «тяжёлая точка» и «высокая точка» почти совпадают;
• на собственной частоте силы жёсткости и инерции взаимно компенсируются, остаётся сила, пропорциональная демпфированию; высокая точка отстаёт от тяжёлой на 90°;
• выше критической скорости отставание доходит до 180°.

Чем меньше демпфирование, тем больше усиление на резонансе и тем резче меняется фаза: у слабо демпфированной системы фаза почти не меняется, пока частота не подойдёт вплотную к собственной.

Опасна не только точная частота. По данным Vibration Research, заметное усиление даёт и частота в пределах примерно ±10 % от собственной.

Признаки резонанса

Признак	Что видно
Зависимость от скорости	Вибрация высокая на одной скорости и заметно падает при её изменении
Пик на выбеге	При остановке уровень не снижается плавно, а растёт и проходит через максимум на определённой скорости
Фаза	На собственной частоте сдвиг 90°, при переходе через резонанс фаза меняется на 180°
Направленность	Уровень в одном направлении во много раз выше, чем в других
Спектр	Высокий узкий пик; при изменении скорости пик остаётся на той же частоте

Про направленность: Mike Fitch (Ludeca) приводит пример, где горизонтальная составляющая была в 75–100 раз выше вертикальной и осевой, и называет это почти несомненным признаком резонанса. Причина в том, что жёсткость и, значит, собственные частоты в разных направлениях разные: у насоса, по данным Ludeca, собственная частота вдоль напорного патрубка обычно выше, чем под 90° к нему.

Сам по себе пик на 1x похож на дисбаланс, поэтому резонанс легко принять за него. Как отличать дисбаланс, расцентровку и ослабление по спектру, разобрано в статье «Как читать спектр FFT».

Тест 1. Ударный тест (bump test)

EASA называет простой ударный тест на остановленной машине хорошим первым шагом к определению собственной частоты.

1. Установите акселерометр на исследуемый узел, в направлении, где вибрация высокая.
2. Ударьте конструкцию массой: молотком с мягким бойком (модальным молотком) или деревянным брусом. Удар передаёт небольшую силу сразу в широком диапазоне частот.
3. Запишите спектр отклика. Пики в нём — собственные частоты.
4. Повторите в других направлениях. Для насоса Ludeca рекомендует как минимум два: вдоль напорного патрубка (обычно частота выше, патрубок добавляет жёсткости) и под 90° к нему (обычно частота ниже).
5. Сравните найденные частоты с рабочей частотой вращения и её гармониками, лопастной частотой и другими частотами возбуждения.

Pellegrino отмечает, что все резонансные частоты конструкции всегда можно измерить, ударяя в одну точку, и рекомендует снимать как отклик в точке удара, так и в других точках. С инструментальным молотком (с датчиком силы) анализатор видит и силу, и отклик; собственную частоту определяют по сдвигу фазы между ними на 90°.

Тест 2. Выбег и пуск: диаграмма Боде и водопад

Ударный тест показывает собственные частоты неработающей машины. Запись выбега или пуска показывает, что происходит в работе.

Простой вариант (пиковое удержание на выбеге). Прибор в режиме удержания пика записывает уровень, пока машина останавливается. Без резонанса уровень падает равномерно. Если на какой-то скорости амплитуда начинает расти, эта скорость — возможная собственная частота.

Вариант с фазой. На вал наклеивают светоотражающую метку и ставят фототахометр, чтобы следить и за амплитудой, и за фазой 1x. Строят диаграмму Боде: амплитуда и фаза в зависимости от скорости. Если пик амплитуды совпадает со сдвигом фазы на той же частоте, резонанс вероятен. Собственная частота лежит в середине перехода фазы на 180°.

Водопад (каскад спектров). Спектры снимают через небольшие шаги скорости и выстраивают друг за другом. Brüel & Kjær объясняет, как его читать: гармоники частоты вращения идут по наклонным линиям, выходящим из точки «0 Гц, 0 об/мин», а структурные резонансы — по линиям постоянной частоты. Там, где наклонная линия 1x или 2x пересекает линию резонанса, вибрация растёт. В примере B&K с выбегом турбогенератора резонанс около 1000 об/мин с пиком на 16,9 Гц возбуждался и первой, и второй гармоникой, а рост уровня на 2700 об/мин совпал с критической скоростью 45,8 Гц, указанной изготовителем.

Pellegrino советует подтверждать собственную частоту как минимум двумя тестами, например ударным и выбегом, прежде чем что-то менять на машине.

Форма колебаний (ODS)

Когда частота найдена, следующий вопрос — что именно колеблется: рама, опора, трубопровод или сам ротор. Для этого строят форму рабочих колебаний (Operating Deflection Shape, ODS): анимацию того, как машина и конструкция движутся на работе.

• Нужны амплитуда и фаза в каждой точке относительно всех остальных.
• Если каналов мало, один опорный акселерометр оставляют на месте, а второй переставляют по точкам и направлениям. Такой способ работает для данных в частотной или порядковой области.
• Точки привязывают к геометрической модели, и программа показывает анимацию.

По анимации видно, какой элемент «гуляет» сильнее всего, и где добавлять жёсткость.

Что делать с резонансом

Задача — развести частоту возбуждения и собственную частоту или уменьшить усиление.

Способ	Как действует	Пример
Изменить скорость	Рабочая частота уходит от собственной	Pellegrino: изменить скорость на 20–30 %
Повысить жёсткость	Собственная частота растёт	Усиление резонирующей опоры или рамы
Изменить массу	Больше масса — ниже собственная частота, меньше — выше	Утяжеление или облегчение опоры
Динамический гаситель	Пружинно-массовая система создаёт противофазную силу	Ставится на резонирующий узел
Демпфирование	Снижает усиление на резонансе	Чем больше демпфирование, тем меньше пик
Уменьшить возбуждение	Меньше сила — меньше отклик	Балансировка, центровка

Куда двигать частоту, решают по результатам тестов: новая собственная частота не должна оказаться рядом с другой частотой возбуждения, например со следующей гармоникой. Vibration Research как правило проектирования приводит разнос частот возбуждения и собственных частот в два раза.

Балансировка уменьшает только силу, а не усиление: машина у резонанса будет чувствительна даже к небольшому остаточному дисбалансу. Когда балансировка действительно помогает, а когда причина в другом, разобрано в статье «Балансировка ротора на месте».

Каким прибором проверять

Для ударного теста, выбега и фазовых измерений нужен анализатор с отметчиком фазы. Bently Nevada vb7 по даташиту изготовителя записывает два канала одновременно, имеет режимы выбега и пуска, ударного теста, межканальной фазы и орбиты, лазерный датчик оборотов и режим Keyphasor; модальный анализ доступен как дополнительная опция. KEG TRK поставляет оборудование Bently Nevada в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• Alain Pellegrino, Laurentide Controls. How to Identify, Correct a Resonance Condition, ReliablePlant.
• Jim Cahill, Emerson. Spotting and Fixing Resonance in Plant Equipment.
• Mobius Institute. Vibration Matters newsletter on system dynamics, Maintworld.
• Vibration Research. Data Analysis for Identifying Resonances.
• Brüel & Kjær. Technical Review No. 2-1995: Order Tracking Analysis.
• Siemens. What is an Operational Deflection Shape (ODS)?.
• Ludeca. Pump resonance: bump test and run-up/coast-down.
• Mike Fitch, Ludeca. Location, Location, Location: Vibration Sensor Placement Is Crucial.
• EASA. How to Conduct a "Bump Test" for Resonance.
• Bently Nevada. vb7 Portable Data Collector, Analyzer and Balancer, datasheet 116M5255 Rev. F.