วิธีคำนวณความถี่ธรรมชาติเพื่อป้องกันเรโซแนนซ์ในระบบนิวแมติก

ความถี่ธรรมชาติของกระบอกลม คืออัตราการสั่นอย่างอิสระของกระบอกสูบ โหลดที่เคลื่อนที่ และโครงสร้างที่เชื่อมต่อ รอบสภาวะการทำงานที่กำหนดไว้ สำหรับแบบจำลองคัดกรองเบื้องต้น ให้หาพื้นที่และปริมาตรของห้องลมทั้งสองที่ตำแหน่งลูกสูบหนึ่ง ๆ ใช้ความดันสัมบูรณ์ของห้องลม คำนวณความแข็งนิวแมติกทั้งหมด แล้วจึงใช้สมการความถี่ธรรมชาติของระบบมวล-สปริง

ผลลัพธ์นี้ไม่ใช่ค่าพิกัดสากลของกระบอกสูบ สถานะวาล์ว ปริมาตรท่อ ความยืดหยุ่นของจุดยึด แรงเสียดทาน โหมดการสั่นของโครงสร้าง พฤติกรรมวงรอบควบคุม การเปลี่ยนแปลงของโหลด และตำแหน่งลูกสูบ ล้วนทำให้การตอบสนองที่วัดได้เปลี่ยนไป การคำนวณจะมีประโยชน์มากที่สุดเมื่อบันทึกสมมติฐานไว้อย่างชัดเจนและตรวจสอบค่าที่คาดการณ์กับเครื่องจักรที่ประกอบเสร็จแล้ว

ประเด็นสำคัญ

กระบอกสูบแบบสองทางทำหน้าที่เสมือนสปริงลม 2 ตัวเมื่อห้องลมทั้งสองปิด

ต้องใช้ความดันสัมบูรณ์ และปริมาตรของแต่ละห้องต้องรวมปริมาตรค้าง

ในตัวอย่างคำนวณ ความถี่ที่คาดการณ์เปลี่ยนจาก 4.82 Hz ที่กึ่งกลางช่วงชักเป็น 6.83 Hz ใกล้ปลายด้านหนึ่ง

การหน่วงและความถี่กระตุ้นเป็นตัวกำหนดว่าความถี่ธรรมชาติจะกลายเป็นเรโซแนนซ์ที่สร้างความเสียหายหรือไม่

สำหรับการตรวจสอบโหลดสถิตก่อนสร้างแบบจำลองพลวัต โปรดดู คู่มือสูตรแรงของกระบอกสูบ หากเครื่องจักรกระแทกฝาท้ายแทนที่จะสั่นรอบตำแหน่งหนึ่ง ให้ใช้ คู่มือการกันกระแทกของกระบอกลม แทน

เริ่มต้นด้วยแบบจำลองนิวแมติกที่ถูกต้อง

Doll, Neumann และ Sawodny จำลองกระบอกลมเป็นมวลเคลื่อนที่ 1 ก้อนที่เชื่อมต่อกับสปริงลม โดยปิดห้องลมทั้งสองเพื่อให้มวลอากาศอัดในแต่ละห้องคงที่ (Dimensioning of Pneumatic Cylinders for Motion Tasks, 2015) เงื่อนไขขอบเขตเหล่านี้กำหนดการคำนวณเพื่อการคัดกรองที่ใช้ในบทความนี้

กระบอกลมแบบไท-ร็อด ISO 15552 ที่ใช้แสดงโครงแบบกระบอกสูบสองทางชนิดมีก้าน

วาล์วควบคุมทิศทางจริงทำให้แบบจำลองเปลี่ยนไป หากวาล์วต่อห้องหนึ่งเข้ากับลมจ่ายและอีกห้องเข้ากับทางระบาย มวลอากาศในห้องจะไม่คงที่อีกต่อไป เซอร์โววาล์วและตัวควบคุมอาจเพิ่มความแข็งและการหน่วงเชิงผล ส่วนท่อยาวหรือถังพักจะเพิ่มปริมาตรและพลวัตการไหล จึงต้องระบุสภาวะของวาล์วก่อนแจ้งค่าความถี่

แบบจำลองที่เรียบง่ายและใช้งานได้ควรมีองค์ประกอบเหล่านี้:

ความดัน พื้นที่ และปริมาตรรวมของห้องลม 1;
ความดัน พื้นที่ และปริมาตรรวมของห้องลม 2;
ลูกสูบ ก้านหรือแคร่ โหลดบรรทุก และมวลอื่น ๆ ที่เคลื่อนที่ทางกล;
การหน่วงจากแรงเสียดทาน ซีล รางนำ ทางไหล และโครงสร้างที่ต่ออยู่;
ความแข็งทางกลใด ๆ ที่ทำงานขนานกับความแข็งนิวแมติกอย่างแท้จริง

แบบจำลองคัดกรองสำหรับกระบอกสูบแบบสองทางที่ค้างอยู่ใกล้ตำแหน่งทำงานที่กำหนด สูตรด้านล่างถือว่าห้องลมปิดทั้งสองเป็นสปริงลม ส่วนเครื่องจักรที่ประกอบแล้วอาจมีโหมดอื่นเพิ่มเติม

อย่ารวมส่วนประกอบทุกชิ้นที่อยู่ใกล้กันไว้ในค่าความแข็งเพียงค่าเดียว เช่น ขายึดที่โก่งตัวแบบอนุกรมกับกระบอกสูบจะลดความแข็งรวม สปริงคืนตัวที่ขนานกันจะเพิ่มความแข็ง ส่วนโครงเครื่องที่ยืดหยุ่นอาจสร้างโหมดแยกซึ่งต้องใช้แบบจำลองหลายองศาอิสระหรือการวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์

คำถามแรกที่มีประโยชน์ที่สุดไม่ใช่ “กระบอกสูบนี้มีความถี่ธรรมชาติเท่าไร” แต่คือ “เรากำลังคำนวณสภาวะทางกายภาพและโหมดใด” กระบอกสูบที่กึ่งกลางช่วงชักและปิดพอร์ตเป็นระบบพลวัตที่แตกต่างจากกระบอกเดียวกันขณะเคลื่อนผ่านวาล์วควบคุมอัตราการไหล

คำนวณพื้นที่และปริมาตรของห้องลมอย่างไร

แบบจำลองกระบอกสูบสองทางจากการทดลองใช้พื้นที่ลูกสูบเชิงผล 2 ค่า และกำหนดปริมาตรแต่ละห้องเป็นปริมาตรปลายกระบอกที่ไม่ทำงานรวมกับปริมาตรกวาดซึ่งขึ้นกับตำแหน่ง (Experimental Study of Double-Acting Pneumatic Cylinder, 2020) โครงสร้างนี้ป้องกันข้อผิดพลาดที่พบบ่อย คือการใช้พื้นที่ลูกสูบเต็มและปริมาตรช่วงชักเต็มทั้งสองด้าน

สำหรับกระบอกสูบก้านเดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอก $D$ และเส้นผ่านศูนย์กลางก้าน $d$ :

A_1 = \frac{\pi D^2}{4}

A_2 = A_1 - \frac{\pi d^2}{4}

$A_1$ คือพื้นที่เชิงผลด้านฝาครอบ และ $A_2$ คือพื้นที่วงแหวนด้านก้าน ทั้งคู่มีหน่วยตารางเมตรเมื่อป้อนเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นเมตร โดยปกติกระบอกสูบไร้ก้านจะใช้พื้นที่เชิงผลเท่ากันได้ก็ต่อเมื่อโครงสร้างภายในรองรับสมมติฐานนั้น

ที่ตำแหน่งลูกสูบ $x$ ซึ่งวัดจากด้านฝาครอบ ปริมาตรห้องลมคือ:

V_1 = V_{d1} + A_1 x

V_2 = V_{d2} + A_2(L-x)

$L$ คือช่วงชักรวมเป็นเมตร $V_{d1}$ และ $V_{d2}$ คือปริมาตรที่ไม่ทำงานแต่ละด้าน รวมโพรงฝาท้าย พอร์ต ข้อต่อ ช่องเซนเซอร์ และปริมาตรท่อที่เชื่อมต่อซึ่งยังเป็นส่วนหนึ่งของก๊าซที่กักอยู่ ป้อนปริมาตรทั้งหมดเป็นลูกบาศก์เมตร

ปริมาตรท่อมักถูกประเมินต่ำเกินไป วาล์วที่ติดตั้งห่างออกไปหรือสายยางยาวจะเพิ่มปริมาตรอัดโดยไม่เพิ่มพื้นที่ลูกสูบ ทำให้ความแข็งนิวแมติกลดลง เครื่องคำนวณปริมาตรท่อลม ช่วยหาค่าอินพุตนี้ได้ แต่ไม่ได้คำนวณความถี่ธรรมชาติ

ใช้ความดันสัมบูรณ์ในสมการความแข็ง แปลงค่าความดันเกจโดยบวกความดันบรรยากาศในพื้นที่ด้วยหน่วยที่เข้ากัน ลมจ่ายเกจ 6 bar โดยทั่วไปมีค่าประมาณ 7 bar สัมบูรณ์ใกล้ระดับน้ำทะเล แต่ความดันจริงในห้องลมขณะค้างตำแหน่งหรือเคลื่อนที่อาจต่างจากค่าที่ตั้งบนเรกูเลเตอร์

คำนวณความแข็งนิวแมติกและความถี่ธรรมชาติอย่างไร

การวิเคราะห์กระบอกสูบสองทางของ Czmerk แสดงว่าความแข็งแบบพาสซีฟเปลี่ยนไปตามช่วงชัก และปริมาตรค้างมีผลมากใกล้ตำแหน่งปลาย (Increasing of Stiffness of Double-Acting Pneumatic Cylinder, 2015) ความแข็งนิวแมติก คือแรงคืนตัวที่เพิ่มขึ้นต่อหน่วยการกระจัดของลูกสูบรอบสภาวะที่กำหนด การทำให้ห้องลมปิดทั้งสองเป็นเชิงเส้นให้แบบจำลองดังนี้

k_p = nP_1\frac{A_1^2}{V_1} + nP_2\frac{A_2^2}{V_2}

$k_p$ คือความแข็งนิวแมติกหน่วยนิวตันต่อเมตร $P_1$ และ $P_2$ คือความดันสัมบูรณ์ในห้องลมหน่วยปาสกาล $A_1$ และ $A_2$ คือพื้นที่เชิงผลหน่วยตารางเมตร $V_1$ และ $V_2$ คือปริมาตรอัดรวมหน่วยลูกบาศก์เมตร เลขชี้กำลังพอลิทรอปิกไร้มิติ $n$ ใช้อธิบายการถ่ายเทความร้อนระหว่างการเปลี่ยนแปลงความดัน-ปริมาตรเล็กน้อย

สำหรับพฤติกรรมก๊าซอุดมคติ $n=1$ แทนกระบวนการอุณหภูมิคงที่ และ $n=1.4$ แทนกระบวนการอะเดียแบติก ส่วนสภาวะกึ่งกลางอยู่ระหว่างสองค่านี้ (Neural Network Modeling of Air Spring Dynamic Stiffness Based on Its Pneumatic Physics, 2026) แหล่งข้อมูลนี้ศึกษาสปริงลม จึงควรใช้ช่วงดังกล่าวเป็นแนวทางด้านกระบวนการก๊าซ ไม่ใช่ค่าทดสอบสากลของกระบอกสูบ หากไม่มีค่าที่ผ่านการตรวจสอบ ให้ทดสอบความไวแทนการละเลยสมมติฐานนี้

หากสปริงกลทำงานขนานกัน สามารถบวกความแข็งเข้ากับ $k_p$ ได้ อย่าบวกความแข็งของโครงเครื่อง ขายึด คัปปลิง หรือรางนำโดยตรง เว้นแต่เส้นทางรับแรงพิสูจน์ว่าอุปกรณ์เหล่านั้นต่อขนานกัน เรียกผลรวมที่ถูกต้องว่า $k_{\mathrm{total}}$

ความถี่ธรรมชาติแบบไม่มีการหน่วงคือ:

f_n = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k_{\mathrm{total}}}{m_{\mathrm{eff}}}}

$f_n$ มีหน่วยเฮิรตซ์ $k_{\mathrm{total}}$ มีหน่วยนิวตันต่อเมตร และ $m_{\mathrm{eff}}$ มีหน่วยกิโลกรัม โดยทั่วไปมวลเชิงผลรวมโหลดบรรทุก ลูกสูบและก้านหรือแคร่ เครื่องมือ และสัดส่วนมวลเคลื่อนที่ที่เหมาะสมของข้อต่อยืดหยุ่น อย่านับมวลอากาศอัดเสมือนว่ามันเคลื่อนที่อย่างแข็งเกร็งไปพร้อมกับโหลด

สำหรับการประมาณโหมดเดียวที่มีการหน่วงต่ำ ความถี่การสั่นอิสระแบบมีการหน่วงคือ:

f_d = f_n\sqrt{1-\zeta^2}

$\zeta$ คืออัตราส่วนการหน่วง ความสัมพันธ์นี้ใช้ได้เฉพาะเมื่อมีโหมดหนึ่งเด่นชัดและสามารถประมาณการหน่วงเป็นแบบหนืดได้ แรงเสียดทานของซีลและอาการติด-ลื่นเป็นแบบไม่เชิงเส้น ดังนั้นพฤติกรรมที่ความเร็วต่ำอาจไม่ตรงกับแบบจำลองนี้

ตัวอย่างคำนวณ: กระบอกสูบขนาดรู 63 mm ที่กึ่งกลางช่วงชัก

เมื่อใช้สมการ 2 ห้องลมข้างต้น กระบอกสูบขนาดรู 63 mm ก้าน 20 mm ช่วงชัก 400 mm มวลเชิงผล 25 kg ปริมาตรค้างด้านละ 50 cm³ ความดันสัมบูรณ์ในห้องลม 7 bar และ $n=1.2$ ให้ความถี่ธรรมชาติที่กึ่งกลางช่วงชักซึ่งคาดการณ์ไว้ 4.82 Hz ค่านี้เป็นผลจากแบบจำลอง ไม่ใช่ค่าพิกัดในแค็ตตาล็อก

สมมติว่าลูกสูบอยู่ที่ $x=0.200\ \mathrm{m}$ และไม่รวมความแข็งทางกลเพิ่มเติมในการคำนวณรอบแรก

อินพุต	ค่า
เส้นผ่านศูนย์กลางกระบอก $D$	0.063 m
เส้นผ่านศูนย์กลางก้าน $d$	0.020 m
ช่วงชัก $L$	0.400 m
ตำแหน่ง $x$	0.200 m
ปริมาตรค้างต่อห้อง	0.000050 m³
ความดันสัมบูรณ์ในแต่ละห้อง	700,000 Pa
เลขชี้กำลังพอลิทรอปิก $n$	1.2
มวลเคลื่อนที่เชิงผล $m_{\mathrm{eff}}$	25 kg

พื้นที่ที่คำนวณได้คือ $A_1=0.003117\ \mathrm{m^2}$ และ $A_2=0.002803\ \mathrm{m^2}$ ปริมาตรรวมของห้องลมที่กึ่งกลางช่วงชักคือ $V_1=0.000673\ \mathrm{m^3}$ และ $V_2=0.000611\ \mathrm{m^3}$

ส่วนความแข็งจากห้องลมทั้งสองมีค่าประมาณ 12,120 N/m และ 10,809 N/m:

k_p = 12120 + 10809 = 22929\ \mathrm{N/m}

แทนค่ามวลเชิงผล 25 kg:

f_n = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{22929}{25}} = 4.82\ \mathrm{Hz}

หากมวลเชิงผลเพิ่มเป็นสองเท่าแต่ความแข็งคงเดิมจะเป็นอย่างไร ความถี่ธรรมชาติจะลดลงตามรากที่สองของอัตราส่วนมวล ค่าจึงเหลือประมาณ $f_n=3.41\ \mathrm{Hz}$ ในทางกลับกัน การลดมวลโดยไม่ตรวจสอบแรงกระตุ้นอาจเลื่อนเรโซแนนซ์ขึ้นไปตรงกับฮาร์มอนิกการทำงานอีกช่วงหนึ่ง

ใช้สเปรดชีตเป็นแบบจำลองวิเคราะห์ความไว เปลี่ยนอินพุตที่ไม่แน่นอนครั้งละหนึ่งค่า รวมถึงปริมาตรค้าง $n$ ความดันห้องลม มวลเคลื่อนที่ และความแข็งของโครงสร้าง คำตอบตัวเลขเดียวที่ดูเรียบร้อยอาจมีประโยชน์น้อยกว่าช่วงความถี่ที่อธิบายที่มาได้และชี้ให้เห็นว่าการวัดค่าใดสำคัญที่สุด

เหตุใดความถี่ธรรมชาติจึงเปลี่ยนไปตามช่วงชัก

สำหรับกระบอกสูบไร้ก้านที่มีปริมาตรค้างและความดันในห้องลมเท่ากัน Doll และคณะระบุว่าตำแหน่งกึ่งกลางเป็นจุดที่มีความแข็งต่ำสุดในแบบจำลองอย่างง่าย (Dimensioning of Pneumatic Cylinders for Motion Tasks, 2015) กระบอกสูบก้านเดี่ยวไม่สมมาตร แต่ปริมาตรของห้องลมทั้งสองยังคงเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องตามตำแหน่งลูกสูบ

เมื่อใช้อินพุตจากตัวอย่างเดียวกันที่ 5 ตำแหน่ง จะได้ผลจากแบบจำลองดังนี้:

ตำแหน่งจากด้านฝาครอบ	ความแข็งนิวแมติก	ความถี่ธรรมชาติที่คาดการณ์
50 mm	46,051 N/m	6.83 Hz
100 mm	29,974 N/m	5.51 Hz
200 mm	22,929 N/m	4.82 Hz
300 mm	28,267 N/m	5.35 Hz
350 mm	41,863 N/m	6.51 Hz

ค่าต่ำสุดในตัวอย่างนี้อยู่ใกล้กึ่งกลางช่วงชัก เพราะปริมาตรอัดทั้งสองค่อนข้างมาก ณ จุดนั้น เมื่ออยู่ใกล้ปลาย ห้องหนึ่งจะมีขนาดเล็กลงและส่วนความแข็งจากห้องนั้นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ความดันจริงอาจไม่เท่ากัน และปริมาตรค้างที่ไม่เท่ากันอาจทำให้ตำแหน่งค่าต่ำสุดเลื่อนไป

กระบอกสูบไร้ก้านแบบข้อต่อเชิงกลที่ใช้แสดงมวลแคร่ ปริมาตรห้องลมช่วงชักยาว และผลของรางนำ

กระบอกสูบไร้ก้านไม่ได้มีความถี่ธรรมชาติสูงกว่าโดยอัตโนมัติ การไม่มีก้านลูกสูบอาจลดมวลเคลื่อนที่ แต่ช่วงชักยาวจะเพิ่มปริมาตรห้องลม ขณะที่แคร่ รางนำ แถบซีล คัปปลิงแม่เหล็ก ระยะเยื้องของโหลด และช่วงจุดยึดอาจเพิ่มความยืดหยุ่นหรือโหมดอื่น ต้องเปรียบเทียบชุดเคลื่อนที่ทั้งหมดภายใต้สภาวะทำงานเดียวกัน

นี่เป็นเหตุผลที่ปัญหาซึ่งวัดได้อาจปรากฏเฉพาะบางช่วงของการเคลื่อนที่ ทำการคำนวณและทดสอบซ้ำ ณ ตำแหน่งทำงานที่สำคัญ ได้แก่ จุดเริ่มต้นเมื่อมีโหลด กึ่งกลางช่วงชัก ตำแหน่งกระบวนการ และช่วงเข้าใกล้ปลาย สำหรับผลจากการติดตั้ง โปรดใช้ คู่มือการติดตั้งและจัดแนวแอคชูเอเตอร์ และ คู่มือการติดตั้งกระบอกสูบไร้ก้าน

เรโซแนนซ์ขึ้นอยู่กับการหน่วงและแรงกระตุ้น

ที่อัตราส่วนความถี่ $r=1$ แบบจำลองเชิงเส้นหนึ่งองศาอิสระให้ตัวคูณการกระจัดเท่ากับ 10 เมื่อ $\zeta=0.05$ แต่เหลือเพียง 2.5 เมื่อ $\zeta=0.20$ การคำนวณเป็นไปตามสมการการตอบสนองแบบบังคับมาตรฐานด้านล่าง ซึ่งแสดงว่าไม่มีคำกล่าวแบบตายตัวว่า “10 ถึง 50 เท่า” ที่ใช้อธิบายเครื่องจักรนิวแมติกได้ทุกเครื่อง

อัตราส่วนความถี่ คือความถี่กระตุ้นหารด้วยความถี่ธรรมชาติ กำหนดเป็น:

r = \frac{f_{\mathrm{exc}}}{f_n}

$f_{\mathrm{exc}}$ คือความถี่กระตุ้น และ $f_n$ คือความถี่ธรรมชาติที่คำนวณได้ สำหรับระบบเชิงเส้นโหมดเดียวที่ถูกกระตุ้นแบบฮาร์มอนิก ตัวคูณการกระจัดคือ:

M(r) = \frac{1}{\sqrt{(1-r^2)^2+(2\zeta r)^2}}

$M$ คืออัตราส่วนแอมพลิจูดการกระจัดในสภาวะคงตัวต่อการกระจัดสถิตที่สอดคล้องกัน ที่ $r=1$ สมการลดรูปเป็น $M=1/(2\zeta)$ การหน่วงต่ำทำให้ยอดแหลมขึ้น ส่วนการหน่วงมากขึ้นจะลดและขยายช่วงยอด สูตรนี้ใช้ไม่ได้กับตัวหยุดแข็ง การกระแทกจากระยะหลวม แรงเสียดทานซีลที่ไม่เป็นเชิงเส้นอย่างมาก วาล์วอิ่มตัว หรือหลายโหมดที่เชื่อมโยงกัน

อะไรถือเป็นแรงกระตุ้น ตรวจสอบความถี่รอบการทำงานที่สั่ง ฮาร์มอนิกของโปรไฟล์การเคลื่อนที่ การสลับวาล์ว อุปกรณ์หมุนใกล้เคียง การผ่านของฟันหรือช่องบนสายพาน การเต้นของคอมเพรสเซอร์ และการกระแทกปลายซ้ำ ๆ รอบเครื่องจักรหนึ่งวินาทีมีความถี่มูลฐาน 1 Hz แต่รูปคลื่นความเร่งอาจมีฮาร์มอนิกที่สูงกว่ามาก

อย่าจัดยอดการสั่นทุกยอดว่าเป็นเรโซแนนซ์นิวแมติก หากการเปลี่ยนความดันห้องลมทำให้ยอดเลื่อน แสดงว่าความแข็งนิวแมติกน่าจะมีส่วนเกี่ยวข้อง หากยอดแทบคงที่แต่เปลี่ยนตามจุดยึดหรือโหลดบรรทุก โหมดโครงสร้างอาจเป็นสาเหตุหลัก หากการสั่นขึ้นกับเกนตัวควบคุม เดดแบนด์ หรือการสุ่มตัวอย่างอย่างมาก ให้ตรวจสอบวงรอบควบคุม

ควรตรวจสอบการคำนวณกับเครื่องจักรอย่างไร

งานศึกษากระบอกสูบสองทางชิ้นหนึ่งเก็บตัวอย่างความดันและการกระจัดทุก 0.1 ms และทำซ้ำแต่ละสภาวะ 45 ครั้งเพื่อวิเคราะห์พฤติกรรมพลวัต (Experimental Study of Double-Acting Pneumatic Cylinder, 2020) การตรวจสอบในโรงงานไม่จำเป็นต้องทำตามระเบียบห้องปฏิบัติการนี้ทั้งหมด แต่ควรซิงโครไนซ์สัญญาณการเคลื่อนที่ ความดัน และการสั่น

ใช้ลำดับต่อไปนี้:

กำหนดสภาวะ บันทึกตำแหน่งลูกสูบ โหลดบรรทุก ทิศทาง ความดันทั้งสองห้อง คำสั่งวาล์ว ค่าเรกูเลเตอร์ การตั้งวาล์วควบคุมอัตราการไหล ขนาดท่อ สภาพรางนำ และรูปแบบการติดตั้ง
ทำให้การทดสอบปลอดภัย แยกบุคลากรออกจากพื้นที่เคลื่อนที่ ลดพลังงานเท่าที่ทำได้ และอย่ากวาดผ่านช่วงเรโซแนนซ์ที่สงสัยด้วยแรงผลิตเต็มกำลังหากไม่มีแผนทดสอบที่อนุมัติ
วัดสัญญาณที่ถูกต้อง ติดตั้งมาตรวัดความเร่งบนแคร่หรือโหลดที่เคลื่อนที่ และอีกตัวบนโครงเครื่องหากทำได้ เพิ่มการวัดความดันทั้งสองห้องและตำแหน่งหรือความเร็ว
กระตุ้นอย่างนุ่มนวล ใช้การกวาดคำสั่งแอมพลิจูดต่ำ สเต็ปที่ควบคุมได้ หรือการทดสอบแรงกระแทกที่จัดทำเป็นเอกสารและเหมาะกับเครื่องจักร การกระแทกฝาท้ายไม่ใช่วิธีกระตุ้นที่ปลอดภัย
หายอดที่เกิดซ้ำได้ เปรียบเทียบสเปกตรัม เฟส ความถี่การสั่นลดทอน และพฤติกรรมความดัน-ตำแหน่งจากการทดสอบซ้ำ
เปลี่ยนพารามิเตอร์ครั้งละหนึ่งค่า ทดสอบซ้ำโดยเปลี่ยนมวล ความดัน หรือตำแหน่งที่ทราบค่า แบบจำลองที่ถูกต้องควรทำนายทิศทางการเลื่อนความถี่ได้

จากประสบการณ์ของเรา วิธีปรับปรุงการวินิจฉัยที่รวดเร็วที่สุดคือบันทึกความดันทั้งสองห้อง แทนการอาศัยเกจของเรกูเลเตอร์ เรกูเลเตอร์บอกค่าตั้งของลมจ่าย แต่ไม่ได้ยืนยันความดันที่กักอยู่ ความดันย้อนกลับทางระบาย หรือความดันพลวัตที่กระบอกสูบขณะเกิดการสั่น

งานศึกษาการระบุระบบเซอร์โวนิวแมติกปี 2005 วัดความถี่ธรรมชาติตามตำแหน่งลูกสูบและใช้เส้นโค้งดังกล่าวในการออกแบบตัวควบคุม (Noskievi, Identification of the Pneumatic Servo System Using Self-Excited Oscillations, 2005) ข้อนี้เตือนว่า สำหรับการควบคุมตำแหน่ง แผนที่ความถี่อาจสำคัญกว่าค่ากึ่งกลางช่วงชักเพียงค่าเดียว

ISO 20816-1:2016 กำหนดเงื่อนไขและขั้นตอนทั่วไปสำหรับการวัดและประเมินการสั่นของเครื่องจักรทั้งชุด มาตรฐานนี้ใช้เป็นแนวทางสำหรับโครงการตรวจวัดการสั่นในโรงงานได้ แต่ไม่ได้กำหนดขีดจำกัดเรโซแนนซ์สากลของกระบอกลม หรือใช้แทนแบบจำลองความถี่และเกณฑ์การยอมรับเฉพาะงาน

ควรปรับเปลี่ยนอะไรเมื่อความถี่อยู่ใกล้กันเกินไป

ภายใต้แบบจำลองห้องลมปิด การเพิ่มมวลเคลื่อนที่เป็นสองเท่าโดยคงความแข็งไว้จะลดความถี่ธรรมชาติเหลือประมาณ 70.7% ของค่าเดิม Doll และคณะยังแสดงว่า การคงความถี่ลักษณะเฉพาะเดิมหลังเพิ่มมวลเป็นสองเท่าต้องปรับขนาดที่เกี่ยวข้องกับความแข็งให้สอดคล้องกัน (Dimensioning of Pneumatic Cylinders for Motion Tasks, 2015)

เลือกวิธีแก้ไขที่ตรงกับกลไกซึ่งระบุได้:

เลื่อนความถี่กระตุ้น เปลี่ยนจังหวะรอบการทำงาน ทางลาดความเร่ง เวลาหยุดค้าง การสลับวาล์ว หรือความเร็วอุปกรณ์หมุนใกล้เคียง เพื่อไม่ให้ฮาร์มอนิกหลักกระตุ้นโหมดซ้ำ ๆ
เปลี่ยนมวลเคลื่อนที่อย่างมีเป้าหมาย การลดมวลเพิ่มความถี่ธรรมชาติเมื่อความแข็งคงที่ การเพิ่มมวลจะลดความถี่ ทั้งสองทิศทางอาจช่วยหรือทำให้แย่ลง จึงต้องคำนวณช่วงการทำงานทั้งหมดใหม่
เปลี่ยนความแข็งนิวแมติก ความดันห้องลม พื้นที่ลูกสูบ ปริมาตรกัก ปริมาตรค้าง และสถานะวาล์วมีผลต่อความแข็ง การเพิ่มความดันอาจเพิ่มความแข็ง แต่ยังเปลี่ยนแรงที่ใช้ได้และพลังงานสะสม อย่าใช้ความดันเป็นเพียงปุ่มปรับจูนโดยไม่ตรวจสอบพิกัดอุปกรณ์และความเสี่ยงของเครื่องจักร
แก้ไขเส้นทางรับแรง เสริมความแข็งของขายึดที่ยืดหยุ่น ลดช่วงที่ไม่มีจุดรองรับ แก้อาการฝืด หรือเพิ่มรางนำที่เหมาะสมเมื่อโหมดที่วัดได้มาจากโครงสร้าง สลักเกลียวยึดไม่ควรถูกใช้ดึงชิ้นส่วนที่เยื้องแนวให้เข้าตำแหน่ง
เพิ่มการหน่วงในจุดที่สลายพลังงานได้อย่างปลอดภัย แดมเปอร์ โช้กอัพ ตัวกันกระแทก หรือกลยุทธ์ควบคุมต้องตรงกับโหมด การกระแทกปลายช่วงชักควรอยู่ในการ ทบทวนพลังงานกันกระแทก ไม่ใช่ในสูตรเรโซแนนซ์กลางช่วงชัก
ปรับจูนตัวควบคุมใหม่หลังระบุคุณลักษณะระบบ การลดเกน คำสั่งที่ผ่านตัวกรอง นอตช์ฟิลเตอร์ หรือการตั้งเกนตามสภาวะอาจช่วยแกนนิวแมติกเซอร์โวได้ แต่ซอฟต์แวร์ไม่ควรปกปิดจุดยึดหลวม รางนำเล็กเกินไป หรือปัญหาการกระแทก

ไม่มีเปอร์เซ็นต์ระยะห่างที่ปลอดภัยแบบสากลสำหรับเครื่องจักรนิวแมติกทุกเครื่อง กำหนดช่วงความเร็ว โหลด ตำแหน่งช่วงชัก ความดัน และสิ่งรบกวนที่เป็นไปได้ แล้วตรวจสอบว่าการตอบสนองที่วัดได้ยังยอมรับได้ตลอดขอบเขตนั้น จัดทำบันทึกการตั้งค่าสุดท้ายเพื่อให้ฝ่ายซ่อมบำรุงตรวจพบการคลาดเคลื่อนภายหลังได้

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการคำนวณความถี่ธรรมชาติ

คำถาม 5 ข้อนี้แยกสมการคัดกรองออกจากเครื่องจักรที่ประกอบจริง แบบจำลองใช้ความดัน 2 ห้อง พื้นที่เชิงผล 2 ค่า ปริมาตรห้อง 2 ค่า มวลเชิงผลหนึ่งค่า และสภาวะวาล์วที่ระบุไว้ (Doll et al., 2015) การขาดอินพุตใดอินพุตหนึ่งอาจเปลี่ยนโหมดที่คาดการณ์

อัตรารอบการทำงานเหมือนกับความถี่ธรรมชาติหรือไม่

ไม่เหมือน อัตรารอบการทำงานคือความถี่การทำงานที่สั่ง ส่วนความถี่ธรรมชาติเป็นคุณสมบัติของระบบมวล-ความแข็งรอบสภาวะที่กำหนด รอบ 1 Hz ยังอาจมีฮาร์มอนิกความเร่งและแรงกระแทกที่ความถี่สูงกว่า ให้เปรียบเทียบองค์ประกอบแรงกระตุ้นที่วัดได้กับโหมดที่คำนวณและวัดได้ แทนการเปรียบเทียบเฉพาะอัตรารอบ

ในสมการความแข็งควรใช้ความดันเกจหรือความดันสัมบูรณ์

ใช้ความดันสัมบูรณ์ของห้องลม ความแข็งของก๊าซเป็นไปตามสภาวะความดัน-ปริมาตรของอากาศที่กักอยู่ ดังนั้นความดันเกจจึงไม่รวมความดันบรรยากาศ ควรวัดทั้งสองห้องที่สภาวะทำงานหากทำได้ ค่าตั้งเรกูเลเตอร์ไม่สามารถใช้แทนความดันจริงด้านฝาครอบและด้านก้าน โดยเฉพาะเมื่อวาล์ว ท่อ และข้อจำกัดทางระบายกำลังทำงาน

กระบอกสูบไร้ก้านมีความถี่ธรรมชาติสูงกว่าเสมอหรือไม่

ไม่เสมอไป แบบไร้ก้านอาจลดมวลก้านเคลื่อนที่ แต่ความถี่ธรรมชาติยังขึ้นกับมวลแคร่และโหลดบรรทุก ปริมาตรห้องลมทั้งสอง ความดัน ความแข็งของรางนำและจุดยึด พฤติกรรมคัปปลิง และตำแหน่งช่วงชัก ช่วงชักยาวอาจเพิ่มปริมาตรกักและเพิ่มโหมดโครงสร้าง จึงควรเปรียบเทียบชุดประกอบทั้งหมดภายใต้เงื่อนไขขอบเขตเดียวกัน

ต้องคำนวณซ้ำเมื่อใด

คำนวณซ้ำหลังเปลี่ยนโหลดบรรทุก เครื่องมือ ตำแหน่งลูกสูบ ความดันทำงาน ความยาวท่อหรือสายยาง สถานะวาล์ว จุดยึด ความแข็งของรางนำ การตั้งค่าควบคุม หรือโปรไฟล์การเคลื่อนที่ และคำนวณใหม่เมื่อความดันที่วัดได้ต่างจากสมมติฐานเดิม ผลลัพธ์ที่มีประโยชน์คือช่วงความถี่สำหรับสภาวะทำงานที่เป็นไปได้ ไม่ใช่ตัวเลขถาวรเพียงค่าเดียว

การเปลี่ยนความเร็วกระบอกสูบกำจัดเรโซแนนซ์ได้หรือไม่

อาจเลื่อนแรงกระตุ้นออกจากโหมดได้ แต่ความเร็วเป็นเพียงหนึ่งอินพุต โปรไฟล์การเคลื่อนที่ใหม่อาจสร้างฮาร์มอนิกอื่น และการเข้าใกล้ปลายเร็วขึ้นจะเพิ่มพลังงานกระแทก วัดการตอบสนองหลังเปลี่ยนความเร็ว แล้วตรวจสอบการกันกระแทก อัตราการไหลวาล์ว รอบเวลา เสถียรภาพการควบคุม และขอบเขตการทำงานทั้งหมดก่อนอนุมัติใช้งาน

แหล่งข้อมูลและเอกสารอ้างอิงทางเทคนิค

แหล่งข้อมูลทางเทคนิคเชื่อมโยงไว้ ณ จุดที่กล่าวถึงสมมติฐานของแบบจำลอง สมการ วิธีทดลอง หรือผลลัพธ์ที่คำนวณได้แต่ละรายการ

ดูข้อมูลผู้เขียนและบริษัทได้ที่ หน้าเกี่ยวกับเรา ผู้อ่านสามารถส่งคำถามทางเทคนิคหรือแจ้งแก้ไขแหล่งข้อมูลผ่าน ติดต่อเรา

วิธีคำนวณความถี่ธรรมชาติเพื่อป้องกันความเสียหายจากเรโซแนนซ์ที่มีค่าใช้จ่ายสูงในระบบนิวแมติก

Jack Chen