共振和振动 | 共振如何影响振动？

“共振能成为机器和支撑结构的无声杀手。”
-- 美国东南部地区销售经理Jack Difranco

共振和振动: 定义、关系、原因、影响
在工业环境中，已证明共振和振动比刚发现时危险得多。虽然工程师可能认为自己须对此负责，但很明显，他们总会低估这些看似很小的运动如何使操作员陷入巨大的麻烦中。我们来看看这些概念、它们之间的关系，以及它最终对您的机械资产意味着什么。

了解工厂中的每台机器和支撑结构都有一个或多个固有频率是很重要的。质量和刚度将决定机器和支撑结构内的共振频率。

什么是共振？使机器或结构以其固有频率振动的振荡力。

也可以认为共振是固有频率的激励。

只要振动频率与物体的固有频率一致，各种振动源都能产生共振:
1.在机器启动或关闭时，不平衡力可以激发可能存在于或低于机器运行速度的固有频率。
2.随着轴承磨损，系统的刚度变化，可能导致固有频率变化，然后与机器的强制因素之一相吻合，，从而导致共振。
3.如果转子 (轴) 未对中或有裂纹，则会改变系统的刚度，从而改变固有频率。如果固有频率与机器的强迫因素 (例如不平衡力、叶片通过率、齿轮啮合力等) 一致，那么将导致共振。
4.支撑机器的结构也会影响机器系统的刚度。如果结构有缺陷或有所损坏 (例如，生锈、螺栓松动、混凝土或结构开裂等)，系统刚度将改变，由此导致共振。

深入研究共振
当我们提到共振时，讨论的是物体或系统如何受到系统固有频率下的振荡力的影响。在这种情况下，系统指的是您工厂内的旋转式或往复式机器。如果精细的平衡、对中预防措施没有效果，那么通常是因为被你忽略的机械共振。每个物体都有自己的固有频率，它们在固有频率下会受到共振振动的影响，在出现更强烈的振动影响前，并不一定有太多的系统变化。

尽可能远离物体的固有频率似乎可行，但其实很难实现。大多数机器设计者试图保持机器的强制因素 (例如，运行速度、风扇叶片或叶轮叶片的数量乘以运行速度、齿轮啮合频率等) 远离机器的固有频率至少20%距离 。当接近固有频率时，无论发生什么，即使是细微的、意外的强迫因素或刚度变化也会导致机器进入共振状态。20% 规则是因为固有频率具有一定范围，这取决于系统的刚度，以及系统刚度如何随时间变化 (例如，轴承磨损、润滑变化、对准变化、结构变化等)。

一个共识:如果你曾经在淋浴时唱歌，并且唱到一个比其声音更响亮的音符，你只是找到了你淋浴的固有频率。或者更好的是，调整吉他弦，反复拨动它，你会得到同样的声音。这是弦的固有频率。

共振和振动
振荡有时会出其不意地出现，特别是当一种运动与另一种运动相结合时。这就是为什么你可能会看到一座桥在施工后几周 (甚至几天) 关闭。该结构可能是设计为在计算的环境条件下 (在计算最大风和热循环的情况下) 容纳2,000人，但是当只有1,000人在上面时，来自所有行人的运动的合力可能导致其开始摆动。这就是为什么军队在过桥时不允许步行一致的原因，他们会产生驱动因素，可能与桥梁的固有频率相吻合，导致桥梁损坏。

共振如何影响振动？ 机械振动是力与刚度的比率。力的变化或刚度的变化都会影响振动幅度。如果振动频率与机器的固有频率一致，则只有机器 (结构) 固有的阻尼才会限制振动的幅度。在流体油膜轴承机器中，阻尼刚度来自在支撑转子的轴承中形成的流体楔。流体楔用作减震器，抑制振动。在滚动元件轴承机器中，每个滚动元件上的流体楔通常不足以提供足够的阻尼。这就是为什么大多数滚动元件轴承机器在遵循上述20% 规则的情况下以低于其固有频率 (第一平衡共振) 的频率运行的原因。

频率问题
共振和振动有什么区别？并不是说共振和振动之间存在差异，而是当机器的强迫运动 (振动) 与机器的固有频率一致时发生共振，并且系统中唯一的约束是阻尼。因此，共振是振动的一种特殊形式，其中振动频率等于机器的固有频率。固有频率由系统刚度除以系统质量的比率的平方根定义。共振可能导致系统故障，所以应该避免。

桥上的工程师可以预设这座桥能够承受行人的身体质量，但是很难预测的是人们是在走路还是在跑步。同样，在机器中，驱动因素一般会避免与固有频率相同。有时这些固有频率会发生变化，难以预测。

避免旋转式和往复式机器中的共振
工业环境可能充斥着共振，不幸的是，当真正改变系统刚度时，很容易被误以为是质量不平衡。如果你想避免共振，这里有一些技巧:
● 调整固有频率: 如前所述，固有频率有范围，有时您可以更改它们。增加加强筋和/或减少质量可以增加固有频率。同样，减小刚度和增加质量可以减小固有频率。根据机器的运行速度，确定如何能将运行速度远离固有频率是较佳方式。
● 在启动和关闭期间，尽快通过谐振频率，不要停留在固有频率上。
● 增加阻尼器: 阻尼器的目的是增加整个系统的阻尼。当发生共振时，阻尼的增加减小了振动的振幅。如果要实现此解决方案，您有几个选择，且考虑每个潜在系统的吸收强度也很重要。如果您使用速度非常稳定的机器，则此解决方案可能是较佳策略。

这些技巧理论上听起来很简单，但实践很难。各种不确定因素都可能破坏哪怕是最好的计划。例如，增加结构质量可能会减小固有频率，但也会增加结构上的载荷。为了补偿增加的负载，可以添加一个支撑来增加刚度，这增加了固有频率，与你所期望的相悖。因此对机械系统进行更改时，都需要仔细考虑。

注意：各种制造商生产的机械滑橇，都是为了确保不会发生共振问题。然而，当机械滑橇着陆并附着到地面时，谐振频率可能改变。在启动、关闭以及在运行速度下时必须小心，以确保没有可能影响机器的异常共振。

如果机器在固有频率15% 范围内运行，那么振动会放大多达2至5倍或更多，这可能会损害机器。在这些情况下，共振会损坏机器和支撑结构，例如:

1.支撑结构中断裂的螺栓，
2.支撑结构的焊缝断裂，
3.基础混凝土断裂或松动;
4.轴承过早磨损。
5.总体上增加了振动，导致噪音过大，使得产品质量变差，最终减弱了生产性能。

拥有适当的振动监测系统相当重要，能防止不必要的损坏和昂贵的维修或更换机器。Metrix Vibration的目标是确保您的产品性能和质量逐年实现。

Metrix承诺
一支拥有多年经验的工程师团队，可帮助您选择合适的振动监测系统。如果您正在寻找经济实惠的选择来保护您的机器，我们提供各种不同设备，包括开关、传感器、变送器，助您有一种监测振动的方法，尤其是共振频率的振动。

Jack Difranco，美国东南部区域销售经理