Rezonanţa
|
Sisteme mecanice de maximă rezonanţă: clopoţelul şi diapazonul.
|
Rezonanţa reprezintă starea de funcţionare în care o frecvenţă de excitaţie se apropie de o frecvenţă naturală a structurii maşinii. Frecvenţa naturală este frecvenţa la care va vibra o structură lăsată să vibreze liber, după ce asupra acesteia se intervine cu o forţă care îi modifică starea de echilibru.
O structură tipică va avea mai multe frecvenţe naturale. Atunci când apare fenomenul de rezonanţă, nivelul de vibraţie rezultat poate fi foarte mare şi poate provoca rapid şi iremediabil daune.
|
|
Nici o maşină nu trebuie să funcţioneze la frecvenţa de rezonanţă!
|
La o maşină care produce un spectru larg de vibraţie, rezonanţa apare în spectru ca un vârf cu frecvenţă constantă, chiar dacă viteza maşinii este variabilă. Vârful poate fi ascuţit sau extins, în funcţie de coeficientul de amortizare efectiv pe care îl are structura la frecvenţa în cauză.
Pentru a determina dacă o maşina funcţionează în condiţii severe de rezonanţă, se pot efectua teste, după cum urmează:
|
Testul de impact – Picioarele maşinii sunt lovite, pe rând, cu o masă grea de lemn, de exemplu, timp în care se măsoară vibraţiile. Când maşina ajunge să funcţioneze la o frecvenţă apropiată de frecvenţa sa naturală, atunci aceasta va începe să vibreze foarte tare. Nivelul de zgomot şi de vibraţii va scădea numai după ce se depăşeşte frecvenţa de rezonanţă. Dacă însă este lăsată să funcţioneze prea mult timp în condiţii de rezonanţă, maşina se va avaria.
Testul de funcţionare în regim tranzitoriu „Coast Up” şi „Coast Down” – Maşina se porneşte şi se opreşte repetat, iar între timp se colectează vibraţiile şi se măsoară turaţia cu un tahometru. Forma de undă în timp va prezenta amplitudinea maximă atunci când frecvenţa de lucru a maşinii va coincide cu una dintre frecvenţele naturale ale componentelor structurii.
Testul de viteză variabilă - La o maşină de turaţie variabilă se va modifica viteza treptat şi se vor colecta vibraţiile cu un vibrometru şi turaţiile de lucru cu un tahometru. Datele vor fi interpretate ca la testul anterior.
Figura de mai jos prezintă o curbă de răspuns idealizată a unei rezonanţe mecanice. Comportarea unui sistem rezonant atunci când este supus acţiunii unei forţe externe este interesant şi oarecum contra intuitiv. Aceasta depinde foarte mult de frecvenţa forţei de excitaţie. În cazul în care frecvenţa de lucru este mai mică decât frecvenţa naturală - cu alte cuvinte în partea stângă a vârfului - atunci sistemul se comportă ca un resort elastic, iar deplasarea sa este direct proporţională cu forţa de excitaţie. Resortul şi masa ataşată lui formează sistemul rezonant care determină răspunsul în termeni de vibraţii al acestuia. În domeniul elastic, sistemul se comportă aşa cum intuim, răspunzând cu o deplasare mai mare unei forţe de excitaţie mai mari, forţa şi deplasarea sistemului nefiind defazate.
În apropierea frecvenţei naturale, situaţia este diferită. Aici, masa reprezintă elementul de control, iar sistemul va arata ca o masă supusă unei forţe de intrare. Acest lucru înseamnă că acceleraţia ei este direct proporţională cu forţa aplicată, iar deplasarea este relativ constantă la modificări de frecvenţă. Deplasarea este defazată faţă de forţă în acest domeniu.
La rezonanţă sistemul arată complet diferit la aplicarea unei forţe de excitaţie. Aici, masa şi resortul elastic se contracarează reciproc în mod eficient, în sistem înregistrându-se numai amortizarea sau frecarea. În cazul în care sistemul este uşor amortizat, acesta se comportă ca şi când ar fi împins prin aer. Când împingem un sistem, acesta se îndepărtează de noi. În consecinţă, unui sistem aflat în rezonanţă nu i se poate aplica o forţă de excitaţie prea mare deoarece va dezvolta vibraţii de amplitudini foarte mari. Amortizarea este aceea care controlează mişcarea unui sistem rezonant la frecvenţa sale naturală.
Exemple de rezonanţă la utilajele dinamice sunt aşa-numitele frecvenţe critice ale arborilor aflaţi în mişcare de rotaţie.
Defazajul dintre vibraţia sursei de excitaţie şi răspunsul structurii este întotdeauna de 90º la frecvenţa naturală a sistemului în discuţie.
În cazul rotoarelor lungi de turbină, trebuie să aveţi grijă ca utilajul respectiv să nu ajungă să funcţioneze la 1× sau 2×frecvenţele naturale ale sistemului respectiv, sau aşa-zisele „frecvenţe critice”, deoarece apare fenomenul de rezonanţă cu efecte distructive majore.