Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie ze zjawiskiem przejścia przez rezonans, Zjawisko to jest powszechnie spotykane w maszynach wirujących pracujących przy zmiennej prędkości obrotowej. Ponieważ rezonans może być niebezpieczny dla maszyny należy nauczyć się określać charakterystyczne dla każdego układu wirującego prędkości krytyczne. Dzięki tej wiedzy możliwa jest eksploatacja urządzenia przy prędkościach obrotowych leżących poza obszarem niebezpiecznym.

Wprowadzenie

Drgania to powszechnie występujące zjawisko fizyczne, w którym następuje ruch ciała względem pewnego stałego punktu odniesienia.

Drgania wywołują w elementach maszyn cyklicznie zmienne naprężenia i odkształcenia. Długotrwałe oddziaływanie naprężeń powoduje przekroczenie granicy zmęczenia materiału i w konsekwencji doprowadza do uszkodzenia drgającego elementu.

Silne odkształcenia części maszyn w wyniku ruchu drgającego może doprowadzić do przytarć pomiędzy wirującymi i nieruchomymi elementami maszyny. Powyższe zjawiska są przyczyną różnego rodzaju uszkodzeń maszyny takich jak: uszkodzenia wirników, łożysk, uszczelnień, przekładni zębatych, sprzęgieł, połączeń śrubowych itp. Obserwuje się również negatywne oddziaływanie drgań na otoczenie pracującego urządzenia. Drgania maszyny powodują w szczególności uszkodzenia fundamentów, pękanie ścian i stropów maszynowni. Obserwuje się również szkodliwe oddziaływanie drgań i towarzyszących im hałasów na system nerwowy człowieka, które powodują obniżanie wydajności jego pracy, zwiększając zmęczenie i w krańcowych wypadkach są przyczyną różnego rodzaju chorób. Jedną z bardziej sprzyjających okoliczności powstawania wysokich amplitud drgań i w konsekwencji poważnych uszkodzeń maszyny jest zjawisko rezonansu. Rezonans to pokrycie się częstotliwości siły wymuszającej z tzw. częstotliwością własną urządzenia, maszyny czy konstrukcji budowlanej. W otaczającym nas świecie często spotykamy się ze zjawiskiem rezonansu, nie zawsze jednak zdajemy sobie z tego sprawę. Jednym z bardziej oczywistych przykładów jest bijący dzwon, który wydaje dźwięk o stałej określonej częstotliwości. Ta częstotliwość dźwięku jest właśnie częstotliwością własną dzwonu. Dzwony o różnej wielkości i kształcie wydają dźwięki różniące się częstotliwością, poczynając od tych najwyższych (dla dzwonów małych) do najniższych (dla dzwonów dużych i masywnych). Innymi często spotykanymi przypadkami rezonansu jest dźwięk wiatru grającego na linach żaglówki czy charakterystyczny dudniący dźwięk wydawany przez lekko

otwarty kran w łazience.

Opis stanowiska

Ćwiczenie przeprowadzone będzie przy wykorzystaniu zestawu aparatury Bently Nevada składającej się z modelu maszyny wirującej (Rotor-Kit) oraz aparatury kontrolno- pomiarowej (ADRE). Rotor Kit jest układem pozwalającym na demonstrację typowych nieprawidłowości występujących w pracy maszyn wirujących. Składa on się z napędzanego silnikiem prądu stałego wałka podpartego na dwóch łożyskach ślizgowych . Na wałku mocowane są opcjonalnie jedna lub dwie masy wirujące w postaci tarcz. Stan dynamiczny maszyny kontrolowany jest poprzez zestaw czujników wiroprądowych mocowanych w dwóch płaszczyznach na specjalnie do tego celu przeznaczonych wspornikach. Dodatkowo w płaszczyźnie tuż za silnikiem mocowane są: czujnik do pomiaru prędkości obrotowej oraz czujnik znacznika fazy do kontroli przesunięcia fazowego. Wszystkie czujniki podłączone są do układu akwizycji sygnałów DAIU 208P będącego interfejsem systemu monitorowania ADRE. Przetworzone już na postać cyfrową dane są następnie przesyłane łączem równoległym do komputera. Dalsza obróbka i prezentacja danych odbywa się tu przy wykorzystaniu oprogramowania ADRE. Program ten oprócz wizualizacji realizuje zadania związane z archiwizacją danych oraz konfigurowaniem i sterowaniem pracą systemu. Wszystkie szczegółowe informacje dotyczące budowy układu Rotor Kit i systemu ADRE oraz sposobów ich obsługi zostały zawarte w Instrukcji obsługi Systemu Bentley Nevada .

Przebieg ćwiczenia

W trakcie ćwiczenia przeprowadzona będzie identyfikacja prędkości krytycznych modelu maszyny wirującej Rotor-Kit. Po uruchomieniu układu Rotor-Kit w trybie pracy SLOW-ROLL należy uruchomić system ADRE i uaktywnić opcję akwizycji ciągłej. Do analizy zostaną wykorzystane dwie opcje: wykres Bodeg'o i wykres trajektorii. W celu rozpoczęcia eksperymentu należy przełączyć Rotor-Kit w tryb pracy RUMPUP, w trakcie którego maszyna zwiększa swoją prędkość obrotową aż do zadanej prędkości granicznej równej 4000 obr/min. W trakcie podjazdu należy śledzić zmianę amplitudy drgań oraz zmianę kąta fazowego. Po ustaleniu się prędkości obrotowej na poziomie 4000 obr/min należy przełączyć Rotor-Kit w tryb pracy RUMPDOWN, w trakcie którego maszyna zmniejsza swoją prędkość obrotową. Po zakończeniu wybiegu kiedy prędkość obrotowa spadnie do poziomu ok. 200 obr/min. należ zatrzymać akwizycję prowadzoną przez system ADRE.

Analiza wyników

Dane:

Masa tarczy	0,8 kg
Średnica wałka	0,1 m
Odstęp pomiedzy podporami	0,7 m
Moduł Younga	E=2.16*10^3 N/m^2

ω_c= 1395,60 [rad/s]

n_c= 13333,76 [obr/min]

Ocena jakości wytłumienia według Helwett-Packarda:

Q=<2	Układ dobrze wytłumiony
2<Q<8	Układ dostatecznie wytłumiony
8<Q<15	Układ słabo wytłumiony
Q>=15	Układ źle wytłumiony

Wnioski

Poprzez analizę stanu dynamicznego maszyny wirującej stwierdzić można, że drgania powstają w wyniku oddziaływania sił powstających w wyniku ruchu obrotowego części wirujących maszyny. Częstotliwość i amplituda drgań zależy głównie od czynników takich jak: siły dynamiczne oraz własności struktury materiałowej części maszyn i od sztywności ich połączeń.

Oznacza to, że w pewnych warunkach, jakim jest na przykład rezonans, może dojść do silnego wzmocnienia drgań przy stałym lub słabo zmieniającym się przyspieszeniu. Takie drgania mogą doprowadzić do uszkodzenia połączeń, części lub całej maszyny. Konstruktor projektując urządzenie powinien wziąć pod uwagę wartości krytyczne wirującego układu i odpowiednią konstrukcją nie dopuścić do powstania drgań zagrażających maszynie lub jej otoczeniu.

---