رزونانس
رزونانس در ماشینآلات دوار
رزونانس چیست؟
رزونانس همان فرکانس طبیعی اجزاء یا یک مجموعه از اجزا است. هر ساختار یک فرکانس تشدید دارد.
اگر به یک ساختار ضربهای با نیروی کافی وارد کنیم و باعث حرکت آن شویم، آن ساختار در فرکانس طبیعی خود بهطور مختصر ارتعاش خواهد کرد.
هر ساختار دارای فرکانس تشدید در هر سه جهت محوری، افقی و عمودی است.
رزونانس در واقع تقویتکننده ارتعاش مربوط به فرکانس برابر یا نزدیک به فرکانس تشدید است.
باید توجه کرد که رزونانس عامل ارتعاش نیست بلکه تقویتکننده ارتعاش است.
ماشینآلات دوار با در نظر گرفتن فرکانس طبیعی و فرکانس کاری طراحی میشوند تا از وقوع رزونانس جلوگیری شود.
با این حال عواملی مثل نرخ پره، خوردگی یا لقی یاتاقان، کاویتاسیون و … ممکن است باعث تحریک فرکانس طبیعی ماشین شوند.
انواع رزونانس
الف) سرعت بحرانی
حالتی است که وقتی اجزاء در فرکانس بحرانی خود دوران میکنند رخ میدهد.
یعنی دور شفت با فرکانس طبیعی شفت برابر شود.
یک نامیزانی جزئی باقیمانده (که همیشه وجود دارد) میتواند باعث ارتعاش شدید در دور بحرانی شود.
روتورها در صورتی که بخواهیم سرعت را بهآرامی افزایش یا کاهش دهیم مستعد این حالت هستند.
در این موارد دور بحرانی شناخته شده است.
مشکل عمده در تسمههاست؛ چون فرکانس تشدید آنها مشخص نیست.
اگر تسمه در فرکانس تشدید خود دوران کند ممکن است ارتعاش شدید ایجاد کند.
این حالت میتواند در اثر برابری دور تسمه با دور فن (Fan) رخ دهد و یک ارتعاش رزونانسی بالا ایجاد کند.
دورهای بحرانی دوم و سوم نیز در سرعتهای بالا ممکن است دیده شوند.
ب) رزونانس یک ساختار
این نوع مشکل اصلی مربوط به رزونانس است و حتی بیشتر از سرعت بحرانی مسالهساز میشود.
وقتی نیروهایی با فرکانس نزدیک به محدوده ±۱۰٪ فرکانس طبیعی ساختار وارد شوند، رزونــانس رخ میدهد.
ساختار میتواند محفظه یک ماشین یا سازه نزدیک (مثل تیر و …) باشد.
مثال: یک پمپ عمودی که در قسمت بالا نگهدارنده ندارد. این پمپ فرکانس رزونانسی پایین (۳۰۰ cpm) دارد.
در زمان کار مشکل ساز نمیشود.
اما هنگام راه اندازی یا خاموش کردن، در لحظه عبور از این فرکانس دچار ارتعاش خواهد شد.
نباید این حالت را با دور بحرانی اشتباه گرفت.
شکل ارتعاش ساختار یک کلید مهم است که بهعنوان شکل مود (Mode Shape) شناخته میشود.
برای تأیید مشکل رزونانـس، تست فرکانس رزونانسـی ضروری است.
پس از تشخیص رزونـانـس، اصلاح آن ساده خواهد بود.
تشخیص رزونانس
به صورت کلی برای شناسایی رزونـانس، در نمودار FFT شاهد یک قله در ۱x خواهیم بود. در این حالت بستر پایین قله نیز افزایش در دامنه را شاهد خواهد بود.
فاز در لحظه عبور از دور بحرانی ۱۸۰ درجه تغییر می کند که علت آن تغییر حالت روتور از حالت صلب به حالت قابل انعطاف است .
سوالات متداول
1. رزونانس در ماشین آلات دوار چیست؟
رزونانس حالتی است که در آن فرکانس تحریک خارجی (مانند نیرو های نامیزانی یا ناهماهنگی شفت) با فرکانس طبیعی سیستم برابر یا بسیار نزدیک میشود. در این حالت، دامنه ارتعاشات به شدت افزایش مییابد.
رزونانس خود عامل ارتعاش نیست، بلکه تقویتکننده ارتعاش موجود است.
2. تفاوت رزونانس و سرعت بحرانی در ماشین آلات چیست؟
سرعت بحرانی نوعی از رزونانس است که زمانی رخ میدهد که سرعت دوران شفت با فرکانس طبیعی آن برابر شود.
در حالیکه «رزونانس ساختاری» میتواند در اجزای ثابت مانند پایه، محفظه یا سازهی نگهدارنده نیز اتفاق بیفتد.
بنابراین، سرعت بحرانی مربوط به اجزای دوار است، اما رزونانس میتواند در هر بخش از سیستم اتفاق بیفتد.
3. چه عواملی میتوانند باعث بروز رزونانس در ماشین آلات شوند؟
عوامل متعددی میتوانند فرکانس طبیعی سیستم را تحریک کنند، از جمله:
- نامیزانی (Unbalance) در روتور
- کاویتاسیون در پمپها
- لقی یاتاقان یا آسیب در تکیهگاه ها
- خوردگی، شل شدگی یا تغییر سختی سازه
- تحریک ناشی از نرخ پره یا چرخدنده ها
این عوامل باعث نزدیک شدن انرژی تحریک به فرکانس طبیعی سیستم میشوند.
4. چگونه میتوان رزونانس را در تحلیل ارتعاشات تشخیص داد؟
در نمودار FFT، رزونانس معمولاً با یک قلهی مشخص در فرکانس 1x سرعت دوران دیده میشود که دامنه ی آن نسبت به بستر نویز به طور غیرعادی زیاد است.
همچنین، در حین عبور از سرعت بحرانی، زاویهی فاز سیگنال حدود ۱۸۰ درجه تغییر میکند — که یکی از نشانه های قطعی رزونانس است.
5. روش های اصلاح و جلوگیری از رزونانس چیست؟
پس از شناسایی فرکانس طبیعی سیستم از طریق تست های مودال یا ضربهای (Resonance Test)، میتوان اقدامات زیر را انجام داد:
- تغییر سختی سازه با تقویت یا کاهش استحکام نگهدارنده ها
- تغییر جرم سیستم با افزودن یا حذف وزن در نقاط خاص
- جابجایی سرعت کاری ماشین به محدوده ای دور از فرکانس بحرانی
بهبود بالانس دینامیکی روتور
هدف اصلی، جداسازی فرکانس کاری از فرکانس طبیعی اجزاست.
