Механическую систему можно заставить колебаться с любой нужной нам частотой. Например, маятник, который первоначально находился в состоянии покоя, можно очень медленно двигать рукой. Маятник начинает реагировать на приложенную рукой силу. Эта сила может быть приложена с любой нужной нам частотой. Если увеличить частоту движения руки, маятник будет реагировать с такой же частотой. Это – вынужденные колебания.

Вынужденные колебания вызывает периодическая сила, которая действует через динамическую жесткость роторной системы. Динамическая жесткость – это совокупность жесткостей различных упругих опор, инерционных масс и элементов, рассеивающих энергию колебаний (или элементов затухания). Замеряемая нами вибрация – это отношение силы к динамической жесткости; следовательно, изменение силы либо динамической жесткости вызовет изменение вибрации.

Этот базовый принцип поведения агрегатов является ключом к успешной диагностике оборудования.

Вынужденные колебания отличаются от свободных в двух аспектах. Первый аспект – частота колебаний зависит только от частоты колебаний входной (или внешней) силы. Эта вынуждающая частота может быть совершенно независимой от собственной частоты системы.

Для линейных систем частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы. В нелинейных системах виброколебания могут содержать как базовую вынуждающую частоту, так и дополнительные гармоники более высокого порядка. Роторные системы могут вести себя как линейно, так и не линейно.

Второе отличие вынужденных колебаний от свободных заключается в том, что при постоянной амплитуде вынуждающей силы реакция колебаний системы сохраняет постоянную амплитуду, которая не затухает во времени (рис.1-9). Амплитуда может быть разной для разных вынуждающих частот, однако для любой конкретной частоты она будет постоянной.

Небаланс – это наиболее распространенная сила, которая вызывает вибрацию роторов. Асимметричное распределение массы ротора порождает центростремительную силу (иногда ее называют центробежной силой), которая вращается вместе с ротором. Эта вращающаяся сила вызывает синхронную, или 1Х, реакцию вынужденных колебаний ротора.

Другие примеры вынужденных колебаний включают в себя возбуждение лопаток насоса и кожухов (на частоте лопаток, которая является целым числом, кратным рабочей скорости), возбуждение лопаток турбины и частоты зубчатой передачи. Из-за больших колебательных усилий, которые могут появляться в агрегате, вынужденные колебания могут распространяться на прилегающие трубопроводы и опорные конструкции, а иногда и на соседние агрегаты.

Осевые вынужденные колебания могут возникать в момент пика в компрессорах, из-за проблем в поршневой группе или из-за неполадок в муфтах.

Крутильные вынужденные колебания могут возникать из-за изменений геометрии зубчатой передачи, из-за периодического контакта между ротором и статором, при изменении скольжения электродвигателя, изменениях крутящего момента, из-за рассогласования муфт, поршневых приводов и возвратно-поступательных нагрузок, или из-за радиальной вибрации.

Радиальная вибрация может соединиться с крутильной вибрацией, т.к. отклонение вала от оси вращения агрегата увеличивает момент инерции массы в системе, вызывая изменения крутящего момента системы. Крутильная вибрация также может вызвать радиальную вибрацию через аналогичный механизм.

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

Перевод: Виктор и Алексей Рожковы (rotkiv)