Wanneer een roterende machine zijn resonantiefrequentie bereikt, kan dit leiden tot ernstige schade aan de machine (en de fabriek), letsel bij werknemers en enorme financiële gevolgen. Dit moet koste wat het kost worden voorkomen. Hoewel de meeste roterende machines zo ontworpen zijn dat de resonantiefrequentie nooit samenvalt met de speed van de machine, kan resonantie toch optreden als gevolg van ontwerpfouten, veranderingen in de speed of invloeden van buitenaf (zoals de natuurlijke frequentie van de fundering).
Kritische frequenties
Elke machine(opstelling) heeft een of meer natuurlijke frequenties; de frequentie waarbij een systeem de neiging heeft om te trillen zonder dat er een aandrijvende of dempende kracht aanwezig is. Wanneer een roterende machine in werking is, wordt een bepaalde trillingsfrequentie geproduceerd. Wanneer deze trillingsfrequentie samenvalt met de natuurlijke frequentie van de machine (structuur), treedt mechanische resonantie op. In dit geval trilt de machine sterk in overeenstemming met de trillingsbron, waardoor een versterkte vibratie wordt geproduceerd. De versterkte vibraties kunnen zo sterk zijn dat ze een destructief effect hebben op de machine.
De oorzaken van vibraties in roterende machines kunnen variëren. Lees meer over de oorzaken van vibraties.
Oplossing
Het is duidelijk dat resonantie moet worden vermeden. Hiervoor kunnen accelerometers worden gebruikt om machinevibratie te monitoren. Met behulp van een transmitter kan de versnellingsmeter communiceren met een PLC, DCS of SCADA-systeem, zodat indien nodig snel en adequaat kan worden ingegrepen. Het is belangrijk om de kritische (resonante) frequenties te kennen, omdat deze worden gebruikt om alarmwaarden in te stellen. Deze alarmwaarden zijn bedoeld om te voorkomen dat een roterende machine de resonantiefrequentie bereikt.
Meer informatie over accelerometers en het gebruik ervan is te vinden op de volgende pagina's:
- Machineschade voorkomen met een vibratiemonitoringsysteem
- Vibratiemetingen met accelerometers
- 11 tips voor het kiezen van de juiste industriële IEPE-versnellingsmeter
- Accelerometers (producten)
Methoden voor het bepalen van de resonantiefrequentie
Er zijn verschillende methoden om de resonantiefrequentie van een machine te bepalen. De meest gebruikte methoden worden hieronder besproken.
Botsproef (botsproef)
Een bumptest helpt bij het vinden van de kritische frequentie(s) van machines. Er zijn verschillende methoden om een bumptest uit te voeren. Het kan zo simpel zijn als het materiaal (de machine) een stoot geven met een rubberen hamer. Apparatuur kan dan een steekproef van een paar seconden nemen (tijddomeinplot), de periode van één rotatie van een roterende machine. De duur van de steekproef hangt af van de bepaalde resonantiefrequenties. Het is belangrijk om de machine op meerdere locaties te testen; er moeten metingen worden gedaan bij zowel het aandrijfpunt als het overdrachtspunt om de resonantiefrequentie van de machine te bepalen. Voor deze test moet de machine buiten bedrijf zijn om onjuiste gegevens te voorkomen en om de natuurlijke frequentie van de machine gemakkelijker te kunnen bepalen.
Oploop-/uitroltest
In de zogenaamde "uitloop-piekstop" wordt de vibratie gecontroleerd vanaf het punt waarop de machine operationeel is tot aan de uitschakeling. Zonder resonantie wordt verwacht dat het vibratieniveau constant blijft. Als het vibratieniveau toeneemt tijdens het uitschakelen, kan de speed waarmee de amplitude toeneemt de natuurlijke frequentie aangeven. Naast deze test is er de uitgebreidere "uitloop-piekfase", waarbij zowel het vibratieniveau als de faseverschuiving van de machine worden gemeten. Op deze manier kan de natuurlijke (resonante) frequentie worden geïdentificeerd, die in het midden van de faseverschuiving van 180 graden ligt.
Formule voor eigenfrequentie
Een derde methode is om eenvoudigweg de eigenfrequentie te berekenen met behulp van een formule. Dit is echter niet zo eenvoudig als de formule doet vermoeden. Om de eigenfrequentie (ωn) van een machine te berekenen, moeten de parameters stijfheid (k) en massa (m) bekend zijn. Dit is vaak niet het geval. Vooral het bepalen van de stijfheid van een constructie is erg moeilijk. Bovendien verandert de eigenfrequentie als een van de twee parameters verandert. Daarom wordt deze methode zelden gebruikt.
De eigenfrequentie wijzigen
De eigenfrequentie kan veranderd worden door bijvoorbeeld de stijfheid of massa van de machine te veranderen. Door de massa te vergroten of de stijfheid te verkleinen zal de eigenfrequentie afnemen. Omgekeerd zal een verlaging van de massa en een verhoging van de stijfheid de eigenfrequentie verhogen.
Het is niet altijd mogelijk om een van de parameters (stijfheid of massa) te veranderen. In dat geval kan de speed waarmee de machine draait worden veranderd. Dit is echter vaak geen optie; een machine draait niet voor niets op een bepaalde speed. Er is ook een optie om een dynamische schokdemper op de machine te plaatsen, die de vibratieniveaus aanzienlijk vermindert.
Als een van de meest voorkomende oorzaken van buitengewone machinevibratie is het belangrijk om te voorkomen dat er binnen de resonantiefrequentie wordt gewerkt. Om deze frequentie te bepalen, zijn nauwkeurige metingen nodig om de natuurlijke frequentie te bepalen. Naast resonantie spelen onbalans, verkeerde uitlijning of beschadigde componenten vaak een grote rol bij het veroorzaken van abnormaal vibratiegedrag.
