Machine resonantie

Er bestaat een zekere natuurlijk vibratie bij elke machine. Elke machine heeft bepaalde resonantiefrequentie (of meerdere). Wanneer deze resonantiefrequentie samenvalt met het toerental ontstaat er resonantie. Wanneer het gaat om een relatief kleine kracht zal dit niet veel problemen veroorzaken. Grote krachten echter, kunnen catastrofale gevolgen hebben.

Wat is resonantie?

Resonantie is het verschijnsel waarbij op een bepaalde frequentie een kracht sterkere trillingen veroorzaakt dan bij frequenties die hoger of lager liggen. Een bekend praktijkvoorbeeld is wanneer men met de wagen rijdt. Bij bepaalde snelheden kan het voorkomen dat men trillingen waarneemt aan het stuur. Deze verminderen wanneer men iets sneller of trager gaat rijden. Resonantie treedt niet enkel op bij rotatiefrequentie. Het verschijnsel kan optreden bij gelijk welke frequentie.

Resonantie is simpelweg de natuurlijke frequentie van een component of combinatie van componenten (assemblage). Alle machines en gebouwen hebben een resonantiefrequentie. Als je de machine met voldoende kracht raakt om hem te laten bewegen, zal hij kort trillen op zijn natuurlijke frequentie. Een structuur heeft een resonantiefrequentie in elk van zijn 3 richtingsvlakken (x, y en z, of zoals we ze noemen, horizontaal, verticaal en axiaal). Resonantie dient om de vibratie te versterken als gevolg van welke trillingskracht dan ook aanwezig is op of in de buurt van die resonantiefrequentie.

Het is belangrijk op te merken dat resonantie geen trillingen veroorzaakt maar het versterkt het.

Trillingsmetingen

Resonantieproblemen komen in twee primaire vormen voor. Dit zijn:

1.Kritische snelheden

Dit treedt op wanneer een component op zijn eigen natuurlijke frequentie roteert.

Een “kritische snelheid” is eenvoudig wanneer de rotatiesnelheid (rpm) samenvalt met de natuurlijke frequentie van de rotor (cpm). De kleinste hoeveelheid resterende onbalans (iets dat altijd aanwezig is) is voldoende om enorme hoeveelheden trillingen te veroorzaken bij het roteren op een kritieke. Rotoren die langzaam worden versneld of afgeremd zijn hier gevoelig voor (d.w.z. turbines). In deze gevallen is de kritische snelheid meestal goed bekend.

Het meest voorkomende probleem met betrekking tot onbekende kritische snelheden zijn waarschijnlijk riemen. Riemen die draaien op hun resonantiefrequentie (of een nabijgelegen bron van excitatie van die resonantiefrequentie hebben) kunnen overmatig trillen en andere problemen veroorzaken. Als de natuurlijke frequentie van de riemen bijvoorbeeld samenvalt met het toerental van de ventilator, zullen de riemen op hun natuurlijke frequentie trillen.

2e en 3e kritische punten kunnen ook optreden als de rotorsnelheid hoog genoeg wordt.

2. Structurele resonanties

Dit komt veel vaker voor dan een kritisch snelheidsprobleem. Het wordt een probleem wanneer een forceerfrequentie in de buurt komt (+/- 10%) van de resonante (natuurlijke) frequentie van een machine.

De structuur kan de machinebehuizing zelf zijn of een nabijgelegen structuur zoals een leuning of I-balk of H-balk.

Een bekend voorbeeld hiervan is een verticale pomp. Vanwege het ontbreken van een ondersteuning aan de bovenkant van het apparaat, hebben deze meestal zeer lage resonantiefrequenties (5Hz). Tijdens het hardlopen is dit geen probleem, maar tijdens het opstarten of uitrollen ervaart het apparaat een “huivering” als het door de structurele resonantie gaat (dit is geen kritische snelheid maar het is een structurele resonantiefrequentie).

De structuur zelf zal overmatig trillen, niet te verwarren met een kritische snelheid. De “vorm” van de vibratie van de structuur is een belangrijke aanwijzing en staat bekend als een “modusvorm”.

Testen op de natuurlijke frequentie van de structuur is cruciaal (vereist) om een resonantieprobleem te bevestigen.

Resonantie, eenmaal gediagnosticeerd, kan eenvoudig te corrigeren zijn. Het kan ook uiterst complex en moeilijk te corrigeren zijn. De truc zit in de diagnose. Maar hoe diagnosticeer je het ?

Diverse methoden

Een methode voor het bepalen van een kritische snelheid is een “Coast Down/Start Up Plot”. Deze plot bestaat uit de 1x trillingsamplitude die gelijktijdig met een 1x rpm fasemeting wordt verzameld als de machine tot stilstand komt of van stilstand naar maximaal toerental gaat. Deze test vereist een referentie van 1x rpm (van een reflectiesticker of een ander snelheidsvolgsignaal) om de amplitude en fase op die frequentie te volgen.

Twee dingen worden waargenomen als de rotor door een kritische toerental gaat:

De amplitude van 1x rpm neemt toe totdat de rotor zijn kritieke niveau bereikt en neemt vervolgens af tot het normale niveau naarmate de snelheid blijft veranderen.

Fase zal 180° verschuiven als de rotor door de kritische gaat. Dit komt doordat de rotor verandert van een stijve rotor (terwijl deze onder het kritieke is) naar een flexibele rotor (terwijl deze boven het kritieke werkt). In praktische termen, op een stijve rotor, trekt het zwaarte punt de rotor rond terwijl deze draait. Op een flexibele rotor duwt het zwaarte punt de rotor rond terwijl deze draait.

Structurele resonanties kunnen als eerst worden vermoed door verschillende kenmerken:

Onevenredig hoge amplitude bij een enkele frequentie (de resonantiefrequentie) in de richting waarin de resonantiefrequentie wordt geëxciteerd.

Een “mode shape” analyse laat zien dat de structuur trilt op een manier die resonantie modelleert. Die modellen worden op de volgende pagina behandeld.

Geen van deze kenmerken bevestigt resonantie als een probleem. Er moet een test worden uitgevoerd die daadwerkelijk de natuurlijke frequentie van de betreffende structuur bepaalt. Dit noemen we een bumptest. Hoewel er hightech methoden beschikbaar zijn voor deze test (en sommige werken heel goed), kan deze test zo eenvoudig zijn als het aanstoten van de structuur (waardoor deze trilt) terwijl deze niet draait en het meten van de respons (d.w.z. de frequentie waarop deze trilt). Een eenvoudige methode om dit te doen, omvat het verzamelen van een tijdsignaal / meting van 2 seconden terwijl de structuur wordt gestoten, de periode van één cyclus wordt gemeten en omgezet in een frequentie. De tijdsduur van de meting moet mogelijk worden aangepast afhankelijk van de resonantiefrequentie die wordt gemeten (langere meting voor zeer lage resonantiefrequenties, kortere meting voor hoge frequenties).

Als de gemeten respons van de structuur (d.w.z. de resonantiefrequentie) zich binnen ongeveer 10% van de forceerfrequentie bevindt (d.w.z. het toerental van de machine, hoewel het op elke frequentie kan zijn), moet resonantie als een probleem worden beschouwd. Hoe dichter de twee frequenties bij elkaar liggen, hoe meer een probleem het is.

Resonantieprobleem verhelpen

Om een resonantieprobleem te verhelpen, zijn er 4 methoden:

Verstevig de structuur – Deze methode verhoogt de resonantiefrequentie van de structuur.
Voeg massa toe aan de structuur – Deze methode verlaagt de resonantiefrequentie.
Verander de spannende frequentie – Verander de snelheid van de machine.

Voeg een dynamische absorber toe aan de structuur – Deze methode bevestigt het equivalent van een stemvork aan de structuur. Deze bevestiging is afgestemd om dezelfde resonantiefrequentie te hebben als de structuur en zet een out-of-phase signaal op dat het effect heeft van het opheffen (verminderen) van het signaal dat door de structuur wordt gegenereerd. De dynamische absorber moet de juiste afmetingen hebben om de opgewekte krachten aan te kunnen.