Жабдықтың резонансы: қалай анықтауға болады және не істеу керек

Резонанс сыртқы күш машинаның немесе конструкцияның меншікті жиілігімен сәйкес келетін жиілікте әсер еткенде пайда болады: діріл бірнеше есе күшейеді. Оның белгілері — белгілі бір жылдамдықтағы діріл шыңы, фаза ығысуы және деңгейдің бағытқа қатты тәуелділігі. Соққы сынағымен және тоқтау немесе іске қосу жүрісін жазу арқылы расталады. Жиіліктерді ажырату арқылы жояды: қаттылықты, массаны немесе жылдамдықты өзгертеді, сөндіргіш қояды.

Резонанс дегеніміз не

Меншікті жиілік кез келген машина мен конструкцияда болады. Резонанс — жүйенің меншікті жиілігіне тең жиілікпен әсер ететін сыртқы күштің нәтижесі (Pellegrino, ReliablePlant). Осы жиілікте діріл айтарлықтай күшейеді, бұл жабдықтың істен шығуына және тоқтап қалуына әкелуі мүмкін. Pellegrino резонансты машиналар дірілінің жоғарылауының өте жиі себебі деп атайды.

Физикалық тұрғыдан не болатыны роторда жақсы көрінеді (Mobius Institute):

• меншікті жиіліктің шамамен 60 %-ына дейін ротор қатты ротор сияқты әрекет етеді, «ауыр нүкте» мен «биік нүкте» дерлік сәйкес келеді;
• меншікті жиілікте қаттылық пен инерция күштері бірін бірі өтейді, демпфирлеуге пропорционал күш қалады; биік нүкте ауыр нүктеден 90°-қа қалып қояды;
• критикалық жылдамдықтан жоғары қалып қою 180°-қа жетеді.

Демпфирлеу неғұрлым аз болса, резонанстағы күшейту соғұрлым көп және фаза соғұрлым күрт өзгереді: әлсіз демпфирленген жүйеде жиілік меншікті жиілікке тым жақындағанша фаза дерлік өзгермейді.

Тек дәл жиілік қауіпті емес. Vibration Research деректері бойынша меншікті жиіліктен шамамен ±10 % шегіндегі жиілік те айтарлықтай күшейту береді.

Резонанс белгілері

Белгі	Не көрінеді
Жылдамдыққа тәуелділік	Діріл бір жылдамдықта жоғары және жылдамдық өзгергенде айтарлықтай төмендейді
Тоқтау жүрісіндегі шың	Тоқтаған кезде деңгей біртіндеп төмендемейді, өсіп, белгілі бір жылдамдықта максимумнан өтеді
Фаза	Меншікті жиілікте 90° ығысу, резонанстан өткенде фаза 180°-қа өзгереді
Бағыттылық	Бір бағыттағы деңгей басқаларынан бірнеше есе жоғары
Спектр	Биік тар шың; жылдамдық өзгергенде шың сол жиілікте қалады

Бағыттылық туралы: Mike Fitch (Ludeca) көлденең құраушы тік және осьтік құраушылардан 75–100 есе жоғары болған мысалды келтіріп, оны резонанстың дерлік сөзсіз белгісі деп атайды. Себебі әртүрлі бағыттағы қаттылық, демек меншікті жиіліктер де әртүрлі: Ludeca деректері бойынша сорғыда айдау құбыры бойындағы меншікті жиілік әдетте оған 90° бұрыштағыдан жоғары.

1x шыңның өзі теңгерімсіздікке ұқсайды, сондықтан резонансты оған оңай шатастыруға болады. Спектр бойынша теңгерімсіздікті, сәйкессіздікті және босауды қалай ажырату керектігі «FFT спектрін қалай оқу керек» мақаласында талданған.

1-сынақ. Соққы сынағы (bump test)

EASA тоқтап тұрған машинадағы қарапайым соққы сынағын меншікті жиілікті анықтаудың жақсы алғашқы қадамы деп атайды.

1. Акселерометрді зерттелетін торапқа, діріл жоғары бағытта орнатыңыз.
2. Конструкцияны массамен соғыңыз: жұмсақ ұшты балғамен (модальдық балғамен) немесе ағаш білеушемен. Соққы бірден кең жиілік диапазонында шағын күш береді.
3. Жауап спектрін жазыңыз. Ондағы шыңдар — меншікті жиіліктер.
4. Басқа бағыттарда қайталаңыз. Сорғы үшін Ludeca кем дегенде екеуін ұсынады: айдау құбыры бойымен (әдетте жиілік жоғары, құбыр қаттылық қосады) және оған 90° бұрышпен (әдетте жиілік төмен).
5. Табылған жиіліктерді айналу жиілігімен және оның гармоникаларымен, қалақ жиілігімен және басқа қоздыру жиіліктерімен салыстырыңыз.

Pellegrino конструкцияның барлық резонанстық жиіліктерін бір нүктеге соғу арқылы әрқашан өлшеуге болатынын атап өтеді және жауапты соққы нүктесінде де, басқа нүктелерде де алуға кеңес береді. Аспаптық балғамен (күш датчигі бар) анализатор күшті де, жауапты да көреді; меншікті жиілікті олардың арасындағы фазаның 90°-қа ығысуы бойынша анықтайды.

2-сынақ. Тоқтау және іске қосу жүрісі: Боде диаграммасы және сарқырама

Соққы сынағы жұмыс істемей тұрған машинаның меншікті жиіліктерін көрсетеді. Тоқтау немесе іске қосу жүрісін жазу жұмыс кезінде не болатынын көрсетеді.

Қарапайым нұсқа (тоқтау жүрісінде шыңды ұстау). Шыңды ұстау режиміндегі аспап машина тоқтап жатқанда деңгейді жазады. Резонанс болмаса, деңгей біркелкі төмендейді. Егер қандай да бір жылдамдықта амплитуда өсе бастаса, бұл жылдамдық — мүмкін меншікті жиілік.

Фазасы бар нұсқа. Білікке жарық шағылдыратын белгі жапсырып, амплитуданы да, 1x фазасын да қадағалау үшін фототахометр қояды. Боде диаграммасын құрады: жылдамдыққа байланысты амплитуда мен фаза. Егер амплитуда шыңы сол жиіліктегі фаза ығысуымен сәйкес келсе, резонанс ықтимал. Меншікті жиілік фазаның 180°-тық ауысуының ортасында жатады.

Сарқырама (спектрлер каскады). Спектрлерді жылдамдықтың шағын қадамдары арқылы алып, бірінен соң бірін тізеді. Brüel & Kjær оны қалай оқу керектігін түсіндіреді: айналу жиілігінің гармоникалары «0 Гц, 0 айн/мин» нүктесінен шығатын көлбеу сызықтармен жүреді, ал құрылымдық резонанстар тұрақты жиілік сызықтарында жатады. 1x немесе 2x көлбеу сызығы резонанс сызығын қиған жерде діріл өседі. B&K-тің турбогенератордың тоқтау жүрісі мысалында шыңы 16,9 Гц болатын шамамен 1000 айн/мин маңындағы резонансты бірінші де, екінші де гармоника қоздырған, ал 2700 айн/мин-дағы деңгейдің өсуі өндіруші көрсеткен 45,8 Гц критикалық жылдамдығымен сәйкес келген.

Pellegrino машинада бірдеңе өзгертпес бұрын меншікті жиілікті кем дегенде екі сынақпен, мысалы соққы сынағымен және тоқтау жүрісімен растауға кеңес береді.

Тербеліс пішіні (ODS)

Жиілік табылғаннан кейін келесі сұрақ — нақты не тербеледі: рама, тірек, құбыр немесе ротордың өзі. Ол үшін жұмыс тербелістерінің пішінін (Operating Deflection Shape, ODS) құрады: машина мен конструкцияның жұмыс кезінде қалай қозғалатынының анимациясы.

• Әр нүктедегі амплитуда мен фаза барлық басқаларына қатысты қажет.
• Арналар аз болса, бір тірек акселерометр орнында қалдырылады, ал екіншісі нүктелер мен бағыттар бойынша ауыстырылады. Бұл тәсіл жиілік немесе реттік облыстағы деректер үшін жұмыс істейді.
• Нүктелерді геометриялық модельге байлайды, бағдарлама анимацияны көрсетеді.

Анимация бойынша қай элемент ең көп «жүретіні» және қаттылықты қайда қосу керектігі көрінеді.

Резонанспен не істеу керек

Міндет — қоздыру жиілігі мен меншікті жиілікті ажырату немесе күшейтуді азайту.

Тәсіл	Қалай әсер етеді	Мысал
Жылдамдықты өзгерту	Жұмыс жиілігі меншікті жиіліктен алыстайды	Pellegrino: жылдамдықты 20–30 %-ға өзгерту
Қаттылықты арттыру	Меншікті жиілік өседі	Резонанстағы тіректі немесе раманы күшейту
Массаны өзгерту	Масса көп — меншікті жиілік төмен, аз — жоғары	Тіректі ауырлату немесе жеңілдету
Динамикалық сөндіргіш	Серіппелі-массалық жүйе қарсы фазалы күш тудырады	Резонанстағы торапқа қойылады
Демпфирлеу	Резонанстағы күшейтуді азайтады	Демпфирлеу неғұрлым көп болса, шың соғұрлым төмен
Қоздыруды азайту	Күш аз — жауап аз	Теңгерімдеу, ортаға келтіру

Жиілікті қайда жылжыту керектігін сынақ нәтижелері бойынша шешеді: жаңа меншікті жиілік басқа қоздыру жиілігінің, мысалы келесі гармониканың жанында болмауы керек. Vibration Research жобалау ережесі ретінде қоздыру жиіліктері мен меншікті жиіліктерді екі есе ажыратуды келтіреді.

Теңгерімдеу күшейтуді емес, тек күшті азайтады: резонанс жанындағы машина тіпті шағын қалдық теңгерімсіздікке де сезімтал болады. Теңгерімдеу қашан шынымен көмектесетіні және себеп қашан басқада екені «Роторды орнында теңгерімдеу» мақаласында талданған.

Қандай аспаппен тексеру керек

Соққы сынағы, тоқтау жүрісі және фазалық өлшемдер үшін фаза белгілегіші бар анализатор қажет. Өндірушінің деректер парағы бойынша Bently Nevada vb7 екі арнаны бір мезгілде жазады, тоқтау және іске қосу жүрісі, соққы сынағы, арнааралық фаза және орбита режимдері, лазерлік айналым датчигі және Keyphasor режимі бар; модальдық талдау қосымша опция ретінде қолжетімді. KEG TRK Қазақстанда Bently Nevada жабдығын жеткізеді. Бағасы сұраныс бойынша.

Дереккөздер

• 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.