Когда частота вынуждающей силы приближается к собственной частоте механической системы, амплитуда вибрации резко возрастает. Это явление называют резонансом.

Толкание качелей с ребенком – это пример резонанса, который демонстрирует эффективность периодического воздействия небольшой силы. Качели с ребенком реагируют на это воздействие на собственной частоте системы аналогично маятнику. Система действует как накопитель энергии, совершая колебания на собственной частоте.

Если последовательные толчки качелей правильно синхронизировать по времени (вынуждающая частота равна собственной частоте и находится в фазе с движением качелей), то очередной толчок качелей будет увеличивать энергию системы, что в свою очередь увеличит амплитуду колебаний. Величина этого усиления выражается коэффициентом синхронного усиления (КСУ) и зависит от эффективного затухания системы.

В роторных системах, сила, вызванная вращающимся небалансом, порождает синхронную, 1Х, вынуждающую частоту, которая равна частоте вращения ротора. Когда частота вращения ротора приблизится к собственной частоте роторной системы, амплитуда вибрации увеличится.

На собственной частоте ротора наступит резонанс (который также называют критическим резонансом или критической скоростью), а вибрация достигнет максимальной амплитуды. По мере ухода скорости агрегата за собственную частоту роторной системы амплитуда будет уменьшаться (график амплитуды см. на рис. 1-10).

Рисунок 1-10. График Боде показывает резонанс в идеальной роторной системе.

Верхняя часть показывает зависимость фазы от скорости ротора; нижняя часть показывает зависимость амплитуды вибрации от скорости ротора. Когда скорость ротора приближается к собственной частоте роторной системы, амплитуда вибрации увеличивается. Когда скорость ротора уходит за собственную частоту, амплитуда уменьшается. Примечание: 1 – отставание фазы; 2 – амплитуда.

В зоне резонанса происходят важные изменения и с фазой вибрации.

Большинство вращающихся агрегатов работают на частотах до первого резонанса, однако большая часть крупных технологических машин работает за первым резонансом и выше; следовательно, усиление вибрации ротора на резонансах при пуске или останове является важной проблемой.

Сильная вибрация на резонансе порождает опасность больших напряжений в роторе, опасность контакта между ротором и статором и ускоренного износа уплотнений. По этой причине Американский Институт Нефти (АИН) выпустил рекомендации по ограничению максимальных величин коэффициента синхронного усиления (КСУ) при испытании роторов.

Крутильные резонансы могут иметь место тогда, когда частота крутильного возмущения равна собственной крутильной частоте системы. Крутильные режимы в роторных системах, как правило, очень слабо затухают. Поэтому крутильные коэффициенты усиления оказываются очень большими. Работа в течение любого отрезка времени на крутильном резонансе может вызвать очень высокие амплитуды крутильной вибрации и привести к повреждению агрегата; к счастью, на практике это происходит редко, т.к. диапазоны частот крутильных резонансов очень узкие.

Нежелательно, чтобы оборудование работало на любой скорости, которая соответствует целой или половине частоты резонанса. Достаточно очевидно, что следует избегать работы агрегатов на резонансе (хотя случается это чаще, чем мы думаем). Однако из-за нелинейностей, которые присутствуют в большинстве агрегатов, небаланс может вызвать некоторую вибрацию 2Х. Эту же вибрацию 2Х могут вызвать и определенные неисправности.

Если агрегат работает на скорости близкой к ½ частоты резонанса, то любая вибрация 2Х будет усилена резонансом, который существует на удвоенной рабочей скорости. Это усиление может быть большим, что вызовет значительную вибрацию 2Х в агрегате.

Автор: Donald E. Bently "Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics"

Перевод: Виктор и Алексей Рожковы (rotkiv)