当旋转机械达到其共振频率时,可能会导致设备(及工厂)严重损坏、员工受伤以及巨大的经济损失。必须不惜一切代价防止这种情况发生。尽管大多数旋转机械在设计上确保其共振频率绝不会与设备转速重合,但由于设计缺陷、转速变化或外部影响(如基础的固有频率),仍可能发生共振。
临界频率
每台机器(装置)都具有一个或多个固有频率;即在没有任何驱动力或阻尼力作用时,系统倾向于振动的频率。当旋转机械运行时,会产生一定的振动频率。当该振动频率与机器(结构)的固有频率重合时,就会发生机械共振。在这种情况下,机器会与振动源同步产生剧烈振动,从而产生放大的振动。 这些放大的振动可能极其强烈,以至于对设备造成破坏性影响。
旋转机械中振动的原因多种多样。请参阅“振动原因”部分了解更多信息。
解决方案
显然必须避免共振。为此,可使用加速度计监测机器振动。通过 transmitter,加速度计可与PLC、DCS或SCADA系统通信,以便在必要时迅速采取适当措施。了解临界(共振)频率至关重要,因为这些频率用于设定报警值。这些报警值旨在防止旋转机械达到共振频率。
有关加速度计及其应用的更多信息,请参阅以下页面:
确定共振频率的方法
确定机器共振频率的方法有多种。下文将讨论其中最常用的方法。
冲击测试(冲击试验)
冲击试验有助于确定机器的关键频率。进行冲击试验的方法多种多样,最简单的方式是用橡胶锤轻敲被测物体(即机器)。随后,设备可采集几秒钟的样本(时域图),这相当于旋转机械一个旋转周期的时长。采样时长取决于已确定的共振频率。 在多个位置对机器进行测试非常重要;应在驱动点和传递点两处进行测量,以确定机器的共振频率。进行此项测试时,机器必须处于停机状态,以避免数据错误,并便于确定机器的固有频率。
加速/减速测试
在所谓的“滑行峰值保持”测试中,从设备运行状态到停机整个过程都会对振动进行监测。在无共振的情况下,振动水平预计将保持恒定。如果停机过程中振动水平上升,振幅上升的速度可能表明该设备的固有频率。 除该测试外,还有更全面的“滑行停机峰值相位”测试,该测试同时测量振动水平和设备的相位偏移。通过这种方式,可以确定自然(共振)频率,该频率位于180度相位偏移的中间位置。
固有频率计算公式
第三种方法是直接使用公式计算固有频率。然而,这并不像公式所示的那样简单。要计算机器的固有频率(ωn),必须已知刚度(k)和质量(m)这两个参数。但实际情况往往并非如此。特别是,确定结构的刚度非常困难。此外,当这两个参数中的任一个发生变化时,固有频率也会随之改变。 因此,这种方法很少被采用。
改变固有频率
自然频率可通过改变机器的刚度或质量等方式进行调整。增加质量或降低刚度将导致自然频率降低。反之,减少质量并增加刚度将提高自然频率。
并非总是能够改变其中一个参数(刚度或质量)。在这种情况下,可以改变机器的旋转速度。然而,这通常并非可行选项;机器以特定速度旋转是有其原因的。此外,还可以选择在机器上安装动态减震器,这有助于显著降低振动水平。
作为导致机械异常振动最常见的原因之一,避免在共振频率范围内运行至关重要。要确定该频率,必须进行精确测量以识别固有频率。除共振外,不平衡、对中不良或部件损坏通常也是导致异常振动行为的主要因素。
