رزونانس ارتعاشات (Resonance)

همان‌طور که در شکل1 مشاهده می‌کنید درصورتی‌که فرکانس طبیعی ماشین به‌سرعت دورانی شفت نزدیک باشد، در فرکانس 1X و فرکانس‌های مجاور آن افزایش شدید دامنه مشاهده می‌شود. در این شرایط اگر ماشین دچار عیوبی مانند نابالانسی و ناهم‌محوری باشد، این افزایش دامنه در فرکانس 1X شدیدتر می‌شود. همچنین اگر فرکانس‌های تولیدشده توسط سایر عیوب مانند لقی یا عیوب بیرینگ‌ها، تصادفاً با فرکانس طبیعی سیستم برابر شود، افزایش دامنه ارتعاش در آن فرکانس ها نیز مشاهده می‌شود.

شکل 1 طیف فرکانسی رزونانس

روش‌های برطرف کردن رزونانس ارتعاشات

برای تصحیح رزونانس ارتعاشات چندین راهکار وجود دارد؛ راه‌حل اول این است: فرکانس نیروی محرک را تغییر دهیم تا با فرکانس طبیعی ماشین برابر نباشد. مثلاً اگر نیروی محرک از یک الکتروموتور به ماشین منتقل می‌شود، اگر بتوانیم دور الکتروموتور را تغییر دهیم؛ با تغییر سرعت دوران، اثر رزونانس را کاهش داده‌ایم. راهکار دیگر تغییر جرم ماشین می‌باشد. با تغییر جرم، فرکانس طبیعی ماشین تغییر کرده و در نتیجه رزونانس برطرف می‌شود.

ممکن است بخواهید با حذف کامل نیروی محرک، از پدیده رزونانس جلوگیری کنید؛ مثلاً اگر نابالانسی عامل رزونانس باشد، بخواهید با بالانس کردن ماشین، ارتعاشات رزونانس را کاهش دهید؛ ولی چنین راه‌حلی غیرعملی می‌باشد زیرا بالانس کردن ماشینی که نزدیک فرکانس طبیعیش کار می‌کند، به علت تغییرات شدید فاز تقریباً غیرممکن است؛ زیرا تغییر فاز زیاد بوده و زاویه فاز 90 درجه در رزونانس و 180 درجه درگذر از آن، عوض می‌شود. پس برای بالانس ماشین در این شرایط لازم است که فرکانس طبیعی جابه‌جا شود. بنابراین بهترین راه‌حل برای مسئله رزونانس جدا کردن فرکانس‌های طبیعی و فرکانس‌های محرک است.

شکل 2 نمودار بُود (Bode plot) و FFT در پدیده رزونانس

مثال واقعی: شناسايي علت ارتعاش فن فیلتر کیسه‌ای (Bag Filter) كارخانه سيمان و اقدامات انجام‌گرفته در جهت كاهش ارتعاش آن‌ها

منبع مثال: مطهری، امیر و همکاران،” شناسايي ارتعاشات ناشي از پديده تشديد در فن بگ فيلتر و سيستم محرك آسياب سيمان گلوله‌ای كارخانه سيمان ساوه و ارائه دو راهكار در جهت كاهش ارتعاشات آن‌ها”،ششمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیبیابی، تهران، دانشگاه صنعتی شریف اسفند 1390

مشخصات فن يك سر آزاد (Over Hung) بگ فيلتر کارخانه سیمان در جدول1 درج شده است.


دور موتور	rpm 3000
توان موتور	kw 38
قطر پولی سر موتور	mm 420
قطر پولی سر پروانه	mm 420
جدول 1مشخصات فن بگ فيلتر

اين فن در مسیر تولید بود و برای رفع ويبره آن ابتدا باید علت ارتعاش شناسایی‌شده و در كمترين زمان توقف ممكن نسبت به رفع آن اقدام می‌شد. به همین علت چهار نقطه ماشين، ارتعاش سنجي شد و همان‌طور که در جدول 2 مشاهده می‌کنید، ارتعاشات بالايي در تمام نقاط ثبت گرديد.


نقطه 4	نقطه 3	نقطه 2	نقطه 1
mm/s 10	mm/s 10	mm/s 13	mm/s 17	جهت افقی
mm/s 13	mm/s 18	mm/s 12	mm/s 17	جهت عمودی
mm/s 22	mm/s 23	mm/s 22	mm/s 21	جهت محوری
جدول 2 نتايج ارتعاش سنجي فن

همچنین به‌منظور شناسايي فرکانس‌های پيك، طیف‌های فركانسي در این چهار نقطه اندازه‌گیری شد و يك پيك با دامنه بالا در فركانس نزديك به دور در هر چهار نقطه مشاهده گرديد. طیف‌های فركانسي مربوط به نقطه شماره یک از موتور و نقطه شماره سه از فن به‌عنوان نمونه در شکل‌های 3 و 4 آورده شده است.

شکل 3 طيف فركانسي نقطه شماره یک موتور

شکل 4 طيف فركانسي نقطه شماره سه فن

با توجه به عبور جزيي فركانس پيك از فركانس دور فن، احتمال ارتعاش ناشي از پديده ناميزاني جرمي كم می‌باشد ولی با توجه به شرايط كاركرد پروانه فن در مواد چسبنده و احتمال چسبيدن مواد به آن، به‌منظور حصول اطمينان، نيازمند بررسي چگونگي شكل ارتعاش می‌باشد. لذا زاويه فاز این چهار نقطه نیز اندازه‌گیری شد و نتايج در جدول 3 آورده شده است.

نقطه اندازهگیری	1	2	3	4
زاویه فاز (درجه)	30	196	230	85
جدول 3 نتایج اندازه‌گیری زاویه فاز

اندازه‌گيري زاویه فاز كه بیان‌کننده شكل ارتعاش است حاكي از آن می‌باشد كه ماشين در همه نقاط به‌صورت هماهنـگ در جهات افقي يا عمودي ارتعاش نمی‌کند. اين تحليل از زاويه فاز، به همراه پيك نزديك بـه فركـانس دور، رخداد پديده رزونانس را مسلم ميكند. لازم به ذكر مي‌باشد ميتوان بـا اندازه‌گیری هم‌زمانFFT و زاويه فاز و تولید نمودار بُود، در زمان دور گرفتن فن از سكون تا دور نامي و يا از دور افتـادن آن از سـرعت نامي به سكون، پديده رزونانس را در فرکانس‌های زير دور نامي بررسي كرد. اما ازآنجایی‌که فركـانس رزونانس ايـن تجهيز بالاتر از فركانس كاري الکتروموتور می‌باشد انجام اين تحليل امکان‌پذیر نبود.

راهکارهای اصلاحی برای تحت تأثیر قرار دادن فركانس رزونانس

با توجه به قرار گرفتن رزونانس در محدوده سرعت كاري ماشين، با انجام دو رشته عمل از بين بردن آن امكان پذيراست:

1- تغيير دادن سرعت كاري ماشين كه مستلزم صرف هزينه و زمان جهت تامين محرك جديد با دور متفاوت و راندمان مناسب است.

2- تغيير در ساختار ماشين براي دور كردن فركانس طبيعي از فركانس كاری. پارامترهاي مؤثر در فركانس رزونانس در این رابطه نشان داده‌شده است.

بنابراین افزايش سختي (k)و كاهش جرم (m) باعث انتقال فركانس تشديد به يك فركانس بالاتر خواهد شد. در جهت تأثیر روي فرکانس‌های تشديد فن بگ فيلتر، از افزايش سختي با قرار دادن عناصر اضافي (جوشكاري پروفيل) زير شاسي اين فن استفاده شد كه از ارتعاش به‌طور محسوسي كاسته گردید.