زیاد طول کشیده است؟ صفحه بارگذاری را ببندید.

بررسی رزونانس ارتعاشات با دو مثال واقعی

0

۱- 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%   ۳٫ 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.

رزونانس ارتعاشاتشکل 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.

۱-۴- 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.

۲-۴- 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.

۳-۴- 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.

رزونانس ارتعاشاتشکل 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.

رزونانس ارتعاشاتجدول ۱- 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 ۰٫۰۱ 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.

رزونانس ارتعاشاتشکل 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.

۱-۷- 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 ۰۱٫۰ تا ۱۰هرتز) بایستی از مبدل ارتعاشی فرکانس پایین استفاده کرد. شکل زیر انجام تست ضربه بر روی یک پمپ عمودی نشان داده شده است.

رزونانس ارتعاشاتشکل 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.

رزونانس ارتعاشاتشکل 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.

۱-۱۱- 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 ۸/۵

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 ۵/۱۷ 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.

رزونانس ارتعاشاتشکل شماره ۶- نقشه فن هوایی ، نمایش اجزا و نقاط اندازه­گیری و همچنین محل نصب Support

 

رزونانس ارتعاشاتنمودار شماره ۱- تست ضربه – نتیجه تایید رزونانس در فرکانس ۵/۱۷هرتز

 

رزونانس ارتعاشاتنمودار شماره ۲- طيف ارتعاش در محلی با بیشترین مقدار ، در فرکانس ۵/۱۷ هرتز پیک غالب مشاهده گردید که همان فرکانس گذر پره است

 

رزونانس ارتعاشاتنمودار 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.

 

رزونانس ارتعاشاتشکل شماره ۷- محل نصب Support،

 

توضیح اینکه بعد از نصب مقدار فرکانس طبیعی به حدود ۸/۱۸ 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 ۸/۲۴هرتز می­باشد که با دور موتور الکتریکی انطباق دارد.

رزونانس ارتعاشاتشکل 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.

رزونانس ارتعاشاتشکل 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

۲-۱۱- 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.

رزونانس ارتعاشاتشکل 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 ۶/۲۴ 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.

رزونانس ارتعاشاتشکل شماره ۱۱- محل نصب وزنه ۸ کیلوگرمی ، توضیح اینکه بعد از نصب مقدار فرکانس طبیعی به حدود ۴/۲۳ 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.

رزونانس ارتعاشاتنمودار شماره ۱۱  طيف ارتعاشی تست ضربه

 

رزونانس ارتعاشاتنمودار شماره ۱۲ 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

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.