一、 什么是共振?
首先,我们用一个简单的生活例子来理解共振:
想象一下你在推秋千。 如果你每次都在秋千荡到最高点,即将回摆的那一刻推它,即你的推力频率和秋千自身摆动的频率“同步”了,那么用很小的力就能让秋千荡得很高。这种因为外部激励频率与系统自身固有频率一致而导致振幅急剧放大的现象,就是共振。
在旋转设备中,这个原理完全相同:
秋千自身摆动的频率 = 设备或结构的固有频率
你推的频率 = 设备受到的激励力频率
秋千高高荡起 = 设备产生剧烈的振动
二、 旋转设备中共振的成因
共振故障的发生需要同时满足两个条件:
激励力来源:设备中存在一个频率稳定且强大的激振力。常见的激振力频率包括:
1x 转频:由转子不平衡、不对中、弯曲等引起的最常见的激振力。
2x, 3x ... 转频:通常由不对中、松动、叶片通过频率等引起。
电网频率(50Hz或60Hz):电机定子或电气问题引起。
齿轮啮合频率。
轴承故障频率。
叶片通过频率。
固有频率:设备本身(转子、底座、管道、支撑结构等)作为一个弹性系统,拥有一个或多个固有的、固定的振动频率,称为固有频率。
当某个激励力的频率接近或等于设备某个部件的固有频率时,共振就发生了。
三、 共振的典型特征与诊断方法
最关键的诊断方法是进行冲击测试或转速变化测试。
冲击测试:用力锤敲击设备,通过传感器测量其响应频谱,可以直接找出所有固有频率。
转速变化测试:在设备开机(升速)或停机(降速)过程中,观察振动随转速(频率)的变化。
当设备转速经过临界转速(即固有频率对应的转速)时,振动会突然增大形成一个“驼峰”,越过之后振动又会迅速减小。这个“驼峰”是共振最确凿的证据。
五、 解决共振故障的措施
治理共振的思路无非是打破其发生的两个条件之一:
A. 改变固有频率(移开“秋千”)
这是最根本但通常较难的方法,需要通过改变系统的刚性和质量来实现。
增加刚度:加固底座、增加支撑筋板、改用更粗的轴。增加刚度会提高固有频率。
增加质量:在适当位置增加配重块。增加质量会降低固有频率。
改变支撑设计:调整支撑点的位置。
B. 改变或避开激励力频率(改变“推”的频率或方式)
这是更常见和实用的方法。
“避开”转速:如果临界转速是3150 RPM,而工作转速是3000 RPM,那么可以考虑将工作转速永久性地提高到3300 RPM或降低到2700 RPM,以避开共振区。(操作上最简单)
减少激振力:通过精确动平衡减少1x激振力,通过精确对中减少2x激振力。即使发生共振,由于激振力源很小,振动也不会大到危险的程度。
增加阻尼:使用阻尼器、减振垫等来消耗振动能量,抑制共振峰的幅值。这不能消除共振,但可以控制其危害。