Gdy maszyna wirująca osiąga swoją częstotliwość rezonansową, może to prowadzić do poważnych uszkodzeń maszyny (i zakładu), obrażeń pracowników oraz ogromnych konsekwencji finansowych. Należy temu zapobiegać za wszelką cenę. Chociaż większość maszyn wirujących jest zaprojektowana tak, aby częstotliwość rezonansowa nigdy nie pokrywała się z prędkością maszyny, rezonans może nadal wystąpić z powodu wad konstrukcyjnych, zmian prędkości lub wpływów zewnętrznych (takich jak częstotliwość drgań własnych fundamentu).
Częstotliwości krytyczne
Każda maszyna (konfiguracja) ma jedną lub więcej częstotliwości drgań własnych; jest to częstotliwość, przy której układ ma tendencję do drgania bez obecności siły napędowej lub tłumiącej. Gdy maszyna wirująca pracuje, wytwarzana jest określona częstotliwość drgań. Gdy ta częstotliwość drgań pokrywa się z częstotliwością drgań własnych maszyny (konstrukcji), dochodzi do rezonansu mechanicznego. W takim przypadku maszyna silnie drga w zgodzie ze źródłem drgań, wytwarzając wzmocnione drgania. Wzmocnione drgania mogą być tak silne, że wywierają destrukcyjny wpływ na maszynę.
Przyczyny drgań w maszynach wirujących mogą być różne. Dowiedz się więcej w sekcji „Przyczyny drgań”.
Rozwiązanie
Oczywiste jest, że należy unikać rezonansu. W tym celu do monitorowania drgań maszyn można wykorzystać akcelerometry. Za pomocą nadajnika akcelerometr może komunikować się z systemem PLC, DCS lub SCADA, umożliwiając podjęcie szybkich i odpowiednich działań w razie potrzeby. Ważna jest znajomość częstotliwości krytycznych (rezonansowych), ponieważ służą one do ustawiania wartości alarmowych. Wartości te mają na celu zapobieganie osiągnięciu przez maszynę wirującą częstotliwości rezonansowej.
Więcej informacji na temat akcelerometrów i ich zastosowań można znaleźć na następujących stronach:
- Zapobieganie uszkodzeniom maszyn dzięki systemowi monitorowania drgań
- Pomiary drgań za pomocą akcelerometrów
- 11 wskazówek dotyczących wyboru odpowiedniego przemysłowego akcelerometru IEPE
- Akcelerometry (produkty)
Metody określania częstotliwości rezonansowej
Istnieje kilka metod określania częstotliwości rezonansowej maszyny. Poniżej omówiono najczęściej stosowane metody.
Test uderzeniowy (test zderzeniowy)
Test udarowy pomaga w ustaleniu częstotliwości krytycznych maszyn. Istnieją różne metody przeprowadzania testu udarowego. Może to być tak proste, jak uderzenie w materiał (maszynę) gumowym młotkiem. Urządzenie może następnie pobrać próbkę trwającą kilka sekund (wykres w dziedzinie czasu), odpowiadającą okresowi jednego obrotu maszyny wirującej. Czas trwania próbki zależy od ustalonych częstotliwości rezonansowych. Ważne jest, aby przetestować maszynę w wielu miejscach; pomiary należy wykonać zarówno w punkcie napędu, jak i w punkcie przenoszenia, aby określić częstotliwość rezonansową maszyny. W celu przeprowadzenia tego testu maszyna musi być wyłączona z eksploatacji, aby uniknąć uzyskania nieprawidłowych danych i ułatwić określenie częstotliwości drgań własnych maszyny.
Test rozruchu/wybiegu
W tak zwanym „coast down peak hold” drgania są monitorowane od momentu, gdy maszyna jest w ruchu, aż do jej wyłączenia. Przy braku rezonansu oczekuje się, że poziom drgań pozostanie stały. Jeśli poziom drgań wzrośnie podczas wyłączania, prędkość, z jaką wzrasta amplituda, może wskazywać na częstotliwość drgań własnych. Oprócz tego testu istnieje bardziej kompleksowa metoda „coast down peak phase”, w której mierzy się zarówno poziom drgań, jak i przesunięcie fazowe maszyny. W ten sposób można zidentyfikować częstotliwość drgań własnych (rezonansową), która znajduje się w środku 180-stopniowego przesunięcia fazowego.
Wzór na częstotliwość drgań własnych
Trzecią metodą jest po prostu obliczenie częstotliwości drgań własnych za pomocą wzoru. Nie jest to jednak tak proste, jak mogłoby sugerować to wzór. Aby obliczyć częstotliwość drgań własnych (ωn) maszyny, należy znać parametry sztywności (k) i masy (m). Często jednak tak nie jest. W szczególności bardzo trudno jest określić sztywność konstrukcji. Ponadto częstotliwość drgań własnych zmienia się wraz ze zmianą jednego z tych dwóch parametrów. Dlatego metoda ta jest rzadko stosowana.
Zmiana częstotliwości drgań własnych
Częstotliwość drgań własnych można zmienić, na przykład poprzez zmianę sztywności lub masy maszyny. Zwiększając masę lub zmniejszając sztywność, częstotliwość drgań własnych ulegnie zmniejszeniu. I odwrotnie, zmniejszenie masy i zwiększenie sztywności spowoduje wzrost częstotliwości drgań własnych.
Nie zawsze jest możliwe zmienienie jednego z parametrów (sztywności lub masy). W takim przypadku można zmienić prędkość obrotową maszyny. Często jednak nie jest to możliwe; maszyna obraca się z określoną prędkością z konkretnego powodu. Istnieje również możliwość zamontowania na maszynie dynamicznego amortyzatora, który służy do znacznego obniżenia poziomu drgań.
Jako jedna z najczęstszych przyczyn nadmiernych drgań maszyn, ważne jest unikanie pracy w zakresie częstotliwości rezonansowej. Aby określić tę częstotliwość, konieczny jest precyzyjny pomiar w celu zidentyfikowania częstotliwości drgań własnych. Oprócz rezonansu, ważną rolę w powodowaniu nieprawidłowych drgań często odgrywają niewyważenie, niewspółosiowość lub uszkodzone elementy.
