سرفصل های مهم این مقاله:
1- مقدمه
ماشینآلات دوار ، بارهای استاتیکی و دینامیکی خود را که ما جهت انجام کارهایمان به آنها تحمیل کردهایم ، بایستی در پایان به محلی که بیشترین اینرسی دارد یعنی زمین انتقال دهند.
ما معمولا در انجام تحلیلهای استاتیکی موفقتر از تحلیلهای دینامیکی بودهایم. شاید دلیل ، شفافتر بودن مسئله برای ما در مورد بارهای استاتیکی است. صدماتی که ماشینآلات دوار از منابع بارهای دینامیکی میبینند به مراتب بیشتر است از مواردی که از بارهای استاتیکی دیدهاند.
یکی از مواردی که هم در حالت استاتیکی و بیشتر در حالت دینامیکی به سازهها و سپس ماشین آلات نصب شده روی آنها را آسیب میرساند ، پدیده رزونانس است.
در این مقاله سعی بر این است که این پدیده معرفی، به روشهای تشخیص آن اشاره و چند مورد تحقیقاتی مرتبط معرفی شود.
از میان همه منابع ارتعاشی ، نزدیک به ۹۰٪ مشکلات مربوط به مواردی چون نا بالانسی ، نا همراستایی و رزونانس میگردد. که رزونانس به تنهایی سهم ۲۰ درصدی را به خود اختصاص میدهد. طبق آمار این درصدها به شرح زیر میباشند.
۱. نابالانسی ۴۰٪ ۲. نا همراستایی ۳۰% 3. تشدید یا رزونانس ۲۰٪
٢- تشدید یا رزونانس
هنگامی که به هر جز فیزیکی ضربه میزنیم ، در فرکانس معینی شروع به تولید صدا میکند. بر روی فلزات این عمل به خوبی قابل اجرا است. صداهای تولید شده به سختی ماده ، شکل و جرم و دیگر خواص فیزیکی و شرایط تکیه گاهی آنها بستگی دارند. به عنوان مثال دیگر ، اگر به یک دیاپازن ضربه وارد شود، شروع به ارتعاش میکند و سپس به تدریج میرا میگردد . اگر به این وسیله با همان فرکانس ضربه وارد شود، دامنه ارتعاش آن افزایش پیدا میکند. که این در اصل همان تشدید یا رزونانس است.
برای هر سیستم مکانیکی، تشدید در فرکانسهای معینی اتفاق میافتد که بیشتر به شرایط فیزیکی و تکیه گاهی آن مربوط میشود. برای مثال در مورد یک سیستم جرم و فنر ساده فرکانس تشدید برابر است با ریشه دوم کسر ثابت فنر به جرم در حال ارتعاش.
برای این سیستم ساده ، که تقریبی نسبتا مناسب برای اکثر سیستمهای سازهای ماشینآلات میباشد، با تغییر مناسب در هر کدام از دو کمیت یعنی جرم و سختی میتوان فرکانس طبیعی را تغییر داد. با افزایش جرم سیستم ، فرکانس طبیعی کاهش و همچنین با افزایش سختی بر میزان فرکانس طبیعی افزوده میشود. رزونانس هنگامی پیش میآید که فرکانس نیروی محرک وارده به سیستم به فرکانس طبیعی ارتعاش سیستم نزدیک باشد.
این نکته هم جالب است در نظر داشته باشیم که همیشه فرکانس طبیعی مضر نیست . موارد گوناگونی وجود دارند که ما از آن بهره میبریم برای مثال میتوان به هل دادن یک کودک در یک تاب اشاره کنیم. با استفاده از کمترین نیرو بهترین جابجائی را به تاب خواهیم داد ، البته اگر عمل وارد کردن نیرو به تاب هم زمان با لحظاتی باشد که جابجایی صفر گردد.
در اینجا لازم به ذکر است که ، یافتن فرکانس طبیعی ، چه به صورت تجربی و چه به صورت تحلیلی ، در مورد مسایل پیچیده یکی از کارهای بزرگ و هزینه بر است و یک کار مهندسی قلمداد میشود. فرمولهایی برای محاسبه فرکانس طبیعی سیستمهای ساده نظیر تیرها، صفحات و غیره در هندبوکهای ارتعاشات وجود دارند که بیشتر برای محاسبه تقریبی فرکانس طبیعی سازهها کاربرد دارند.
این فرمولها تجربی هستند و ممکن است همه موارد را پوشش ندهند. کسانی که میخواهند از این فرمولها استفاده کنند ، بایستی شرایط تکیه گاهی و میرایی را در کار خود در نظر داشته باشند. از آنجایی که محاسبات فرکانس طبیعی مطابقت کاملی با فرکانس طبیعی بعد از ساخت ندارد، معمولا این محاسبات با خطای ۲۰٪ صحیح میباشند.
برای سازهها و قطعات ماشین آلات فرکانس طبیعی را میتوان با آزمایشهای سادهای که ارائه خواهد شد ، محاسبه نمائیم.
٣- پاسخ مکانیکی سیستم
هر سیستم مکانیکی در برابر بارهای اعمالی ورودی ، پاسخهای متفاوتی را از خود نشان میدهد. در مورد سازهها ، پاسخ مکانیکی یک طیف ارتعاشی است که به واسطه اعمال طیف ارتعاشی بار ورودی شکل گرفته است . برای رسیدن به پاسخ ارتعاشی یک سیستم مکانیکی ، بایستی طیفهای نیروی ورودی و پاسخ ارتعاش را اندازهگیری کرد. این عمل به راحتی با استفاده از یک دستگاه اندازهگیری لرزش دو کاناله قابل انجام است. این نکته هم قابل ذکر است که اندازهگیری تابع پاسخ فرکانسی یکی از اندازهگیریهای مهم در آنالیز مدال میباشد. (در این مقاله اشاره مختصری به آنالیز مودال هم شده است پاسخ فرکانسی در اصل تابعی است با سه بعد شامل دامنه ارتعاش بر حسب فاز و فرکانس. بدلیل اینکه رسم این نمودار نیاز به سه بعد دارد و ترسیم آن بر روی یک نمودار مشکل است ، این نمودار معمولا به دو نمودار شکسته میشود . دامنه بر حسب فرکانس و فاز بر حسب فرکانس که به آن نمودار بود گفته میشود.
یک روش دیگر جهت نمایش نمودار پاسخ فرکانسی ، نمایش قطبی دامنه و فاز است که به آن نمودار نایکویست گفته میشود.
با در دست داشتن این پاسخ ، میتوان از فرکانسهای طبیعی محدوده کاری ماشین مطلع شده و برای جلوگیری از عواقب ناشی از آن چاره اندیشی کرد.
در ادامه پس از پرداختن به عوامل موثر بر پاسخ مکانیکی به روشهای موجود در رسیدن به این نمودارها اشارهای خواهد شد. پاسخ مکانیکی سیستم به خواص فیزیکی ماشین ، سازه آن، میرایی ، شرایط تکیه گاهی ، فونداسیون و … بستگی دارد که بد نیست به این عوامل و همچنین منابع ارتعاشی روی سازهها اشاره مختصری شود . در شکل شماره ۱ ، منحنی پاسخ فرکانسی یک صفحه با شکلهای مودی آن آورده شده است.
شکل شماره ۱- منحنی پاسخ فرکانسی یک صفحه
۴- منابع ارتعاشی در سازهها
سازهها به عنوان رابط بین دستگاه و زمین همواره تحت تاثیر بارهای دینامیکی و استاتیکی گوناگونی قرار میگیرند ، که برخی از منابع بارهای دینامیکی به شرح زیر است.
1-4- زلزله
منبعی که فرکانس لرزش آن تقریبا یک هرتز میباشد و در واقع حرکت افتی زمین است و روشهای مقابله با آن علاوه بر مقاوم سازی سازهها ، مهار تجهیزات به زمین ، نصب نگه دارنده ، کابل مهار کننده و تجهیزات قفل کننده میباشد.
2-4- باد
منبعی که معمولا ارتعاشات تصادفی بوجود میآورد و میتواند باعث تحریک سازهها و ارتعاش آنها در فرکانس طبیعیشان گردد. معمولا سازهها در مقابل باد گردابههایی در پایین دست ایجاد میکنند، که این گردابهها میتوانند سبب حرکت نوسانی خود و یا سازههای مجاور گردد.
3-4- ماشین آلات نصب شده
منبعی که در صورت دارا بودن هر گونه مشکل ، نظیر نامناسب بودن طراحی ، وجود نا بالانسی ، نا هم محوری ، انتخاب نامناسب دور کاری ، فرسودگی قطعات و غیره باعث ایجاد ارتعاش میگردد، که یکی از منابع ارتعاشی بسیار معمول در میان منابع ارتعاشی است. در این مقاله اثر ماشینآلات نصب شده بر روی چند سازهها مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
لازم به ذکر است که محدوده فرکانس برای لرزشهای سازهای از کمتر از یک هرتز شروع میشود و تا فرکانسهای فرا صوت ادامه مییابد. دامنه این لرزشها هم میتواند از چندین اینچ ( یا حتی چندین فوت ) تا حدود میکرو اینچ برسد.
در اینجا منظور از سازه فقط ساختمانها نیستند بلکه پلها ، برجها و سازههای متحرک مانند هواپیماها ، فضاپیماها ، قطارها ، کشتیها را هم شامل میشود. و به طور خاص در اینجا سازه دستگاههای دوار مورد بحث قرار میگیرند.
لازم به ذکر است که ارتعاشات با فرکانسهای پایین معمولا بدلیل حرکات زمین و فرکانسهای طبیعی سازهها است. که قسمتی از فرکانسهای طبیعی سازهها هم معمولا در محدوده یک تا ده هرتز قرار میگیرند.
۵- میرایی
وسیلهای است که انرژی جنبشی را به گرما تبدیل میکند. یا به عبارتی عاملی که باعث کاهش دامنه ارتعاش بر حسب زمان میگردد. تمامی مواد حتی فلزات هم میرایی دارند. موادی که دارای میرایی نسبتا زیادی هستند، جهت کنترل ارتعاشات استفاده میشوند. در شکل زیر نموداری از یک موج سینوسی میرا شده بر حسب زمان آورده شده است. هر چه میرایی کمتر باشد این مدت زمان بیشتر خواهد شد.
شکل شماره ۲- یک موج سینوسی میرا شده
اعمال نیرو با فرکانسی برابر یا خیلی نزدیک به فرکانس طبیعی باعث افزایش دامنه ارتعاشات نسبت به حالتهای بالاتر و پایینتر از فرکانس طبیعی میشود. از نظر تئوری این نسبت نامحدود است. ولی میرائی این نسبت را محدود میکند. این نسبت بستگی به میرایی و نوع اتصالات هم دارد. لازم به ذکر است در فلزات به سبب میرایی کم این افزایش میتواند از ۱۰ تا ۱۰۰ برابر هم برسد. برای مقایسه در زیر نسبت میرائی برای چند ماده آورده شده است.
جدول 1- نسبت میرایی برای چند ماده
در مورد اثر میرایی بر پدیده رزونانس و منحنی پاسخ فرکانسی ، این نکته قابل ذکر است که ، رزونانس علاوه بر اینکه وابستگی زیادی به سرعت کاری دارد ، تا اندازهای به میرایی هم وابسته است. در حالت رزونانس میرایی نه تنها دامنه بیشینه ارتعاش را افزایش میدهد بلکه پهنای منحنی پاسخ را نیز زیاد میکند.
در مورد فولاد که میرایی کم است نمودار تشدید نوک تیز است که کمک میکند با تغییر کوچکی در سرعت کاری میزان ارتعاش را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. با افزایش میرایی ، قله منحنی پاسخ فرکانسی به سمت چپ منتقل میشود. معمولا میرایی باعث جابجایی فرکانس میشود ، اما در مورد ماشین آلات ساخته شده از آهن و فولاد، میرایی آنچنان کم است که این میزان جابجایی ناچیز است. این مطلب بسیار جالبی است، چون ثابت میکند ، ارتعاشی که در مرکز نیرو (یاتاقانها) اتفاق میافتد، گر چه ممکن است ضمن گذشتن از اتصالات دامنه شان تغییر کند ولی تغییر فرکانس آن ناچیز است
۶- فونداسیونها
فونداسیون سازهای است که بارهای استاتیکی و دینامیکی بوجود آمده در حین کار یک سیستم مکانیکی را تحمل میکند. معمولا هر ماشین باید به جایی محکم شود تا هنگام کار راه نیفتد. بسته به نوع ماشین ، فونداسیونها با هم متفاوتند. بسیاری از ماشینها علاوه بر فونداسیون به صفحات صلبی نیاز دارند که در هنگام کار از حالت همراستایی خارج نشوند. این صفحه همچنین هر گونه بار دینامیکی را جذب کرده و آنرا به فونداسیون و زمین منتقل میکند. اگر زمینی در کار نباشد، بار دینامیکی بایستی به محلی که اینرسی قابل توجهی وجود دارد انتقال داده شود ( مانند وسایل نقلیه).
فونداسیون در اصل عضوی است ، در مسیر انتقال بار از ماشین به زمین که دارای صلبیت بالایی است. از آنجا که ماشین به فونداسیون محکم میشود، این مجموعه به عنوان یک واحد جهت بررسیها در نظر گرفته میشود. هر ارتعاشی که در ماشین تولید میشود، فونداسیون اثر آنرا به صورت ضربه دریافت میکند. فونداسیون مانند هر عضو دیگری در مسیر انتقال بارهای دینامیکی بخشی از آنرا منتقل ، قسمتی را جذب و باقیمانده را بر میگرداند.
نکته آخر اینکه در ماشینهای بزرگ فونداسیون به منظور کنترل کننده رفتار دینامیکی دستگاه بسیار مهم است. از این روست که مونیتورینگ دورهای و یا در برخی موارد دائمی رفتار فونداسیونها را برای آنها در نظر میگیرند.
دو نوع فونداسیون از نظر رفتار دینامیکی در مورد سازهها وجود دارد :
- صلب : فونداسیونهایی که به واسطه بارهای دینامیکی و استاتیکی تغییر شکل اندکی دارد.
- انعطاف پذیر : فونداسیونهایی که به واسطه بارهای دینامیکی و استاتیکی تغییر شکل قابل توجهی داشته باشد (برخی منابع تغییر شکل زیر دستگاه بیشتر از 0.01 اینچ را مبنا قرار دادهاند.)
۷- روشهای بررسی رفتار دینامیکی یک سیستم سازهای
جهت بررسی و تعیین رفتار دینامیکی سازهها روشهای رایج به قرار زیر است . که با این روشها نهایتا میتوان به منحنی پاسخ فرکانسی برای سازه رسید.
شکل شماره ۳- روشهای رایج برای تحلیل رفتار دینامیکی سازهها
در اینجا به دو روش از روشهای معرفی شده، یعنی تست ضربه و تحریک موج سینوسی اشارهای خواهیم کرد.
1-7- آزمایش ضربه
آزمایش ضربه جهت تعیین فرکانس طبیعی اجسام ثابت مانند سازهها ، سیستمهای لولهای و قطعات ماشینی کاربرد دارد. در این روش از این اصل استفاده میشود که، هر گاه به جسمی ضربهای مناسب وارد شود ، جسم در فرکانس طبیعی خود نوسان خواهد کرد. طبق این روش برای تعیین نقطه تشدید با چکش ضربه زدهای به جسم زده میشود و در همان حال فرکانس طبیعی اندازهگیری میشود. چکش معمولا یک پتک چوبی یا پلاستیکی است. در بیشتر موارد میتوان از دست و یا هر چیز مناسبی که بتوان با آن به سازه ضربه زد، استفاده کرد.
مقدار نیروی ضربه بستگی به اندازه سازهای دارد که میخواهیم به آن ضربه وارد کنیم. برای سازههای بزرگ که به مقدار زیادی انرژی ورودی جهت برانگیخته شدن در فرکانس تشدید نیاز دارند، روش بهتر این است که آنها را با طناب بکشیم و سپس طناب را ببریم تا برانگیخته شود.
در برخی از موارد میتوان از انرژی باد ، در شرایطی که باد قوی بوزد ، جهت برانگیخته شدن سازه در فرکانس طبیعی استفاده کرد.
و در آخر ذکر این نکته ضروری است که در مورد سازههای بزرگ، به خاطر دارا بودن فرکانسهای طبیعی پایین ( از 01.0 تا ۱۰هرتز) بایستی از مبدل ارتعاشی فرکانس پایین استفاده کرد. شکل زیر انجام تست ضربه بر روی یک پمپ عمودی نشان داده شده است.
شکل شماره ۴- انجام تست ضربه بر روی یک پمپ عمودی
روش انجام کار در مورد تست ضربه
در این روش ، تحریک در شرایطی انجام میشود که سازه خاموش است. برای انجام این آزمایش روشی خاص را بایستی برای اندازهگیری و ثبت فرکانسها بکار برد.
این عمل را میتوان با استفاده از یک فیلتر تحلیلگر تنظیم پذیر انجام داد. اما مناسبتر این است که، از تابع میانگین گیر برای نقاط ماکزیمم استفاده گردد. روش یافتن نقاط تشدید به این صورت است که پیکاپ را بر روی قطعه مورد مطالعه چسبانیده و میانگینگیری از ماکزیممها را شروع میکنیم. سپس توسط یک پتک به قطعه مورد نظر ضربهای تند و سریع وارد میکنیم. تکرار ضربات ملایم ، فرکانس تشدید را بدون اینکه ابزار اندازهگیری دچار Over Load شود ، تقویت میکند. با این کار فرکانسهای تشدید در نقاط ماکزیمم ثبت میشود بعد به سراغ نقاط دیگر میرویم.
لازم به ذکر است که برای تمامی سازههای ماشین آلات دواری که در این مجتمع پس از بررسی به مشکل زرونانس در مورد آنها مشکوک شدیم، از روش آزمایش ضربه استفاده شده است.
آزمایش با لرزاننده دور متغییر (شیکر)
این روش هم معمولا زمانی مورد استفاده قرار میگیرد که ماشین خاموش باشد. شکل زیر یک شیکر الکترومغناطیسی به همراه شکل برش خورده آنرا نشان میدهد.
شیکرها با استفاده از ساختار داخلی خود نیرو تولید میکنند. شیکر نشان داده شده از اثر الکترومغناطیسی استفاده میکند و نیرو ایجاد مینماید. با شیکرها میتوان انواع مختلف نیرو، ضربهای، تصادفی ، گذرا با اشکال مختلف نظیر سینوسی و غیره را تولید نمود.
با استفاده از این محدوده وسیع نیرویی میتوان مدلهای مختلفی از ارتعاشات تصادفی نظیر ، اغتشاش سیال ، کاویتاسیون ، زلزله ، باد و ارتعاشات سینوسی و غیره را مدل کرده و به سازه تحمیل نمود.
شکل شماره ۵ – شیکر مغناطیسی مدل VR540
روش انجام کار با لرزاننده دور متغییر
روش انجام کار به این شکل است که قطعه مورد نظر توسط شیکر تحریک شده و ارتعاشات آن هم زمان بر روی صفحه نمایشگر ترسیم میشود. فرکانس شیکر را آنچنان تغییر میدهند تا ارتعاش به بدترین حالت برسد. تغییر فرکانس از یک نقطه بیشینه به نقطهای دیگر معمولا منجر به یافتن فرکانسهای تشدید خواهد شد.
فرکانسهای تشدید بدست آمده از هر دو روش گفته شده یکسان هستند. این فرکانسها بایستی در طیف فرکانسی مربوط به شرایط در حال کار ماشینی که به عیب تشدید مشکوک هستیم وجود داشته باشند.
معمولا سازهها با کمی سفت کردن (آچارکشی) فرکانس طبیعیشان بالاتر میرود. میتوان جهت هر گونه اقدامی مبنی بر انجام تغییرات روی سازه، این کار را ابتدا انجام داد. آچار کشی روی قسمتی از سازه که در حال تشدید است میتواند تا ۹۰٪ ارتعاش را کم کند در حالی که بر روی قطعات دیگر حداکثر تا ۳۰٪ این قابلیت را دارد. معمولا قبل از انجام اقدامات دائمی در تغییرات سازه ، سفت کاری موقتی با استفاده از نبشی ، گیرهها ، سیم ، کابل ، گوه و جکهای هیدرولیکی انجام میشود، تا اثر آنها روی سازه دیده شود. بهتر است در این حالت هم فرکانس طبیعی جدید با استفاده از روشهای موجود دوباره اندازهگیری شود.
در پایان مباحث تئوری بهتر است اشارهای به آنالیز مدال شود که به کمک آن تمامی پارامترهای مربوط به آنالیز سازهای قابل برآورد است.
۸- آنالیز مودال
هر سیستم سازهای متشکل از مجموعهای از جرم و فنر میباشد که در برابر اعمال انواع بارهای خارجی از خود عکسالعملهایی متفاوت نشان میدهد. این عکسالعملها بستگی به شکل سازه ، نوع تکیهگاها ، جنس ، انواع بارهای اعمال شده و دارند. آنالیز مدال در واقع فرایندی است که با کمک آن خواص دینامیکی یک سازه نظير فرکانسهای تحریک ، مقادیر میرایی و اشکال تغییر شکل یافته سازه که به آن شکلهای مودی گفته میشود استخراج میگردد.
این بررسی هنگامی انجام میشود که سازه مورد نظر در حال تاثیر بارهای شرایط کاری نباشد. در این فرایند یک دسته از توابع پاسخ فرکانسی در تعدادی از نقاط از پیش تعیین شده که به کمک چکش و یا شیکر الکترودینامیکی توسط نیروی ورودی تحریک شده است، در جهات سه گانه اندازهگیری میشوند.
این مقادیر توسط سنسورهای ارتعاشی که معمولا از نوع شتاب سنج میباشند، در سه جهت اندازهگیری میشوند. در پایان نرمافزار آنالیز مودال این دادهها را به ماتریسی انتقال میدهد که نتیجه کار شکل مودی واحد برای هر وضعیت رزونانس میباشد. این اشکال جهت نمایش بر روی صفحه کامپیوتر فرستاده میشوند.
در مورد عیبیابیهای انجام شده بر روی سازههای ماشینآلات دوار واقع در مجتمع پالایش گاز چون ، بیشتر این مشکلات بر روی فنهای هوایی و پمپهای عمودی مشاهده شده است، لازم است ابتدا مطلب مختصری در مورد سازه این ماشین آلات گفته شود.
۹- فنها
از نظر ارتعاشی فنها نسبت به سایر ماشین آلات مشکل سازترند. یکی از دلایل اصلی این مشکلات وجود نابالانسی است، مخصوصا در مورد فنهائی که در محیطهای آلوده کار میکنند. دلیل دیگری که سبب مشکل میشود، ساختمان بی دوام فنهاست. این به معنای کیفیت ساخت نیست بلکه بدلیل وجود واقعیتهای فیزیکی و اقتصادی ساخت آنهاست. مسلما اگر فنی بخواهد حجم عظیمی از هوا را بدون مشکل در سر راه خود جابجا کند، نیاز به محفظه و فضای حجیمی پیدا میکند که از نظر اقتصادی به صرفه نیست. برای اینکه سازه آن کمتر با فرکانسهای محرک تطبیق پیدا کند، سازههای بتنی با میرائی بالاتر از فولاد مناسبتر خواهد بود ولی هزینه بالاتر خواهد رفت.
در مورد فنها پديده اغتشاش سیال، در گذر از پرهها، پدیدهای است که موجبات ایجاد یک سری از ارتعاشات تصادفی و گسترده را فراهم میآورد. هنگامی که سیال (گاز یا مایع) در اطراف یک جسم جریان پیدا میکند، در پائین دست جریان گردابههائی ایجاد میشود که در سرعتهای بالای برای سیال در حال جریان ، این گردابهها اغتشاش تولید میکنند. اغتشاش مانند جریان باد حول سازهها یک ارتعاش تصادفی با پهنای باند وسیع است. ارتعاش تصادفی میتواند ایجاد تشدید نماید. تشدید به شکل یک قله نوک تیز یا یک تن خالص در طول دامنه وسیع اغتشاش نمایان میشود.
۱۰- پمپهای عمودی
دستگاههای عمودی به دلیل دارا بودن ضریب Slender Shape بالا ، ذاتا دارای ساختاری ضعیف در برابر ارتعاشات هستند. این عامل سبب میشود ، که این دستگاهها دارای فرکانس طبیعی نزدیک به سرعت دوران خود ، یعنی در محدوده ۱۰ تا ۴۰ هرتز باشند، لذا وجود چند نقطه تشدید روی این پمپها امری عادی است. بایستی تدابیری اندیشیده شود تا سرعتهای کاری و فرکانسهای خرابی در نقاط فرکانس طبیعی واقع نشوند.
یکی از موارد مهمی که بایستی روی این دستگاهها مورد بررسی قرار گیرد، بررسی خواص و رفتار دینامیکی آنهاست. این بررسیها هم به صورت تجربی و هم به صورت تحلیلی قبل از نصب بایستی صورت گیرد و بعد از نصب هم ، بررسی دوباره نیاز است.
در هنگام کار ، با رزونانسهای ناخواستهای روی این قبیل ماشینها بر میخوریم که معمولا بعد از نصب خود را نشان میدهند. علت این است که ، بین فونداسیونی که در محل کارگاه هنگام تست دستگاه سوار میشود با فونداسیونی که در محل بهرهبرداری پمپ وجود دارد، اختلاف شرایط تکیهگاهی زیادی معمولا وجود دارد. در اصل شرایط تکیهگاهی موجود در محل بهرهبرداری ، انعطافپذیری بیشتری نسبت به شرایط محل نصب دارد.
امروزه یک سری از راهحلهای ریاضی با استفاده از مدل تیر یکسر گیردار اولر-برنولی برای این منظور تدوین شدهاند که با کمک آنها میتوان اثر شرایط سختی تکیهگاهی واقعی را روی سازه دستگاه لحاظ کرد، تا شرایط واقعی را برای دستگاه در مدل آنچنان که وجود دارد در نظر گرفت.
۱۱- موارد مطالعاتی (Case Studies)
موارد گوناگونی در مورد فنهای هوایی و دستگاههای عمودی نظیر ، پمپها و فنها در این مجتمع مورد مطالعه قرار گرفتهاند که عیب رزونانس برای آنها تشخیص داده شده است. در حدود ۹۵ ٪ از آنها پس از انجام تغییرات سازهای که بیشتر آنها، تغییراتی بسیار کم هزینه و ساده بودند عیب مربوطه به طور کامل برطرف گردیدند.
در اینجا از هر کدام از موردهای مطالعاتی (فنها و دستگاههای عمودی) یک مورد آورده شده است که انجام این تغییرات بر روی هر کدام از آنها بیش از سه سال هم بیشتر میگذرد.
1-11- مورد تحقیقاتی شماره یک
نوع دستگاه : فن هوایی کمپرسور تبرید گاز
دور فن : ۲۵۰ دور بر دقیقه
مشخصات محرک : موتور برقی -۳۰ کیلو وات – ۱۴۸۰ دور بر دقیقه – سه فاز – ۳۸۰ ولت
مشخصات کاهنده : تسمه دندانهدار – با ضریب کاهش یک به 8/5
با توجه به شکل شماره ۶ ، بر روی حدود چهارده نقطه در راستای عمودی ارتعاش اندازهگیری شد، بیشترین لرزش از وسط یعنی نزدیکیهای نقطه شماره ۷ به میزان حدود mm/s rms14 خوانده شد. چون توزیع مقادير لرزش به صورت افزایشی از کنارهها تا وسط مشاهده شد، حدس زدیم که تیری که بیرینگهای فن روی آن سوار بود در مود اول ارتعاشی خود نوسان میکند. لذا نیازی به اندازهگیری فاز ارتعاش احساس نشد. برای اثبات مشکل رزونانس، تست ضربه در مورد این مسئله به منظور پیدا کردن فرکانسهای رزونانس انجام گردید.
نتیجه تست ضربه نشان داد که فن در فرکانس 5/17 هرتز دارای رزونانس است. این فرکانس مربوط بود به تعداد پرههای فن ضربدر دور فن یا همان فرکانس گذر پرهها.
برای اطلاعات بیشتر به نمودارهای زیر مراجعه شود.
شکل شماره ۶- نقشه فن هوایی ، نمایش اجزا و نقاط اندازهگیری و همچنین محل نصب Support
نمودار شماره ۱- تست ضربه – نتیجه تایید رزونانس در فرکانس 5/17هرتز
نمودار شماره ۲- طيف ارتعاش در محلی با بیشترین مقدار ، در فرکانس 5/17 هرتز پیک غالب مشاهده گردید که همان فرکانس گذر پره است
نمودار شماره ۳- طيف ارتعاش پس از گذشت سه سال از انجام تغییرات سازهای – ارتعاش كل همچنان در حد قابل قبول میباشد. تنها کار تعمیراتی روی این فن فقط تعویض تسمه بوده است.
شکل شماره ۷- محل نصب Support،
توضیح اینکه بعد از نصب مقدار فرکانس طبیعی به حدود 8/18 هرتز افزایش یافت.
لازم به ذکر است که بر روی حدود دوازده مورد از ۵۲ فن مشابه که مشکل رزونانس داشتند، این تغییرات سازهای انجام شد که نتیجه تغییرات کاملا رضایت بخش بوده است.
و مطلب دیگر اینکه در حدود ۲۰ فن از ۴۸ فن مشابه دیگر هم در راستای افتی دارای مشکل رزونانس بودند که مانند شکل زیر برخی از سازههای آنها تقویت شدند. در این سازهها فرکانس تشدید 8/24هرتز میباشد که با دور موتور الکتریکی انطباق دارد.
شکل شماره ۸
توجه : محل نصب Supportها بسیار مهم است، همواره بایستی محلهایی که بیشینه ارتعاش را داریم به محلهایی که کمترین ارتعاش و بیشترین Stiffness دارند اتصال داده شوند.
در شکل زیر موردی از تغییرات سازهای آورده شده است که اثر چندانی بر کاهش ارتعاش از آن حاصل نشد.
شکل شماره ۹
گر چه سازه مورد نظر دارای مشکل تشدید در جهت افقی میباشد، ولی تغییرات سازهای کار ساز نبود. پایه Support در جایی نصب شده است که دارای Stiffness کمی است
2-11- مورد تحقیقاتی شماره دو
نوع دستگاه : پمپ عمودی انتقال سولفور مذاب ۱۴۵ درجه سانتی گراد
دور پمپ : ۱۴۶۰ دور بر دقیقه
مشخصات محرک : موتور برقی – ۵۰ کیلو وات – ۱۴۶۰ دور بر دقیقه – سه فاز – ۳۸۰ ولت
پیشینه تعمیراتی : مشکل همیشگی این پمپها خرابی زود هنگام Shaft sleeve و ارتعاش بالای آن روی موتور که با تولید صدا همراه است، گزارش شده است.
شکل شماره ۱۰- نقشه پمپ عمودی ، نمایش اجزا
با توجه به شکل شماره ۱۰ ، بر روی سه نقطه در راستای عمودی که ارتعاش آنها بیشینه بود، لرزشها اندازهگیری شدند. بیشترین لرزش از بیرینگ بالایی موتور و به میزان mm/s rms12 خوانده شد. چون توزیع مقادیر لرزش به صورت افزایشی از پایین تا بالا مشاهده شد، حدس زدیم که مدل تیر یکسر گیردار موتور ، در مود اول ارتعاشی خود نوسان میکند. لذا نیازی به اندازهگیری فاز ارتعاش احساس نشد. برای اثبات مشکل رزونانس، تست ضربه در مورد این مسئله به منظور پیدا کردن فرکانسهای رزونانس انجام شد.
نتیجه تست ضربه نشان داد که فن در فرکانس 6/24 هرتز دارای رزونانس است. که این فرکانس نزدیک بود به فرکانس دور موتور الکتریکی چرخاننده پمپ.
البته این عامل میتوانست به خاطر وجود نابالانسی حاصل از نشستن سولفور روی پرههای پمپ در زمان توقف پمپ هم باشد (اگر چه سازنده تدابیری را برای جلوگیری از این احتمال در نظر گرفته است) ، بدین منظور قبل از انجام هر تغییر سازهای موتور به تنهایی در محل بالانس شد. نتیجه تا چند ماهی رضایت بخش بود، ولی پس از چندین بار خاموش و روشن شدن در این مدت مقدار لرزش مجددا بالا رفت، حدس زده شد که در هنگام خاموش شدن پمپ مقداری سولفور روی پرههای پمپ رسوب کند. و این میزان رسوب حتی به میزان اندک میتوانست نابالانسی ایجاد کند که باعث رزونانس گردد. برای حل این مشکل دو راه حل ساده به نظر میرسید ، بالا بردن Stiffness سیستم یا و اضافه کردن جرم به سازه.
با اضافه کردن وزنه ۸ کیلوگرمی (شکل ۱۱) به بالای موتور مشکل ارتعاشی به میزان قابل توجهی برطرف گردید.
شکل شماره ۱۱- محل نصب وزنه ۸ کیلوگرمی ، توضیح اینکه بعد از نصب مقدار فرکانس طبیعی به حدود 4/23 هرتز کاهش یافت.
لازم به ذکر است با توجه به اینکه ، در مواردی آچار کشی پایه باعث بالا رفتن فرکانس طبیعی میگردد، در برخی شرایط این تدبیر میتواند باعث حل مشکل گردد. در نظر داشته باشیم که آچار کشی نا منظم سبب از حالت عمودی خارج کردن محور و در نتیجه عامل تولید نابالانسی میگردد که ارتعاش را در حالتی که رزونانس داریم افزایش میدهد.
در زیر طیفهای فرکانسی مربوط به تست ضربه و فرکانس غالب حال کار این دستگاه آورده شده است.
نمودار شماره ۱۱ طيف ارتعاشی تست ضربه
نمودار شماره ۱2 طيف ارتعاشی مربوط به ماشین در حال کار ماشین
لازم به ذکر است که بر روی چهار پمپ مشابه این تغییر سازهای انجام شده است که ماکزیمم ارتعاش تاکنون mm/s rms4 بوده است. ساختاری مشابه در مورد فنهای سقفی و موتورهای هوایی هم میتواند همانند تیر یکسر گیردار مسئله فوق مدل شود که در این مورد هم مواردی جهت اشارهای مختصر در زیر به تصویر کشیده شده است.
در شکل شماره ۱۳ ، به موردی از یک پمپ عمودی بر میخوریم که در صورت نصب نکردن Support که نقطهای از جعبه دنده پمپ را به تیر عمودی وصل میکند ، پدیده رزونانس ارتعاش را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد.
شکل شماره ۱۲ صفحه محل نصب فن تقویت شده است
نکته آخر اینکه همیشه در تحلیل ارتعاشات بایستی خیلی ساده با مسایل برخورد کرد، مشکلات در برخی موارد زیاد بزرگ و غیر قابل حل به نظر میرسند. در برخی موارد با تغییرات بسیار ساده میتوان مشکلات بزرگی را حل کرد. البته اگر مسیرمان را درست اختیار کنیم. در مورد مقابله با مشکل رزونانس در ابتدا اگر ممکن است، عامل پدید آورنده تشدید را از میان ببریم بعد برویم به سراغ تغییرات سازهای. و بدانیم کجا را بایستی تقویت کنیم.
منبع: مسلم همتی ” لرزش سازهای در دستگاههای دوار- روشهای تشخیص و ارائه راهکارها” اولین سمینار تخصصی پایش وضعیت و عیب یابی اسفند ۱۳۸۵ – دانشگاه صنعتی شریف
