Analiza drgań pomaga monitorować i wykrywać problemy za pomocą danych dotyczących drgań. Przeczytaj o metodologii analizy drgań, narzędziach i technikach, metodach pomiaru drgań i innych.

Co To jest analiza drgań?

Analiza drgań jest zdefiniowana jako proces pomiaru poziomu drgań i częstotliwości maszyn, a następnie wykorzystania tych informacji do analizy stanu zdrowia maszyn i ich komponentów. Podczas gdy wewnętrzne mechanizmy i formuły używane do obliczania różnych form drgań mogą się skomplikować, wszystko zaczyna się od użycia akcelerometru do pomiaru drgań. Za każdym razem, gdy maszyna pracuje, wytwarza wibracje. Akcelerometr dołączony do maszyny generuje sygnał napięciowy, który odpowiada ilości drgań i częstotliwości drgań, które wytwarza maszyna, Zwykle ile razy na sekundę lub minutę występują drgania.

wszystkie dane zebrane z akcelerometru trafiają bezpośrednio do kolektora danych (oprogramowania), który rejestruje sygnał jako Amplituda vs.czas (znany jako przebieg czasowy), Amplituda vs. częstotliwość (znany jako szybka transformata Fouriera) lub oba. Wszystkie te dane są analizowane przez algorytmy programów komputerowych, które z kolei są analizowane przez inżynierów lub wyszkolonych analityków drgań w celu określenia stanu Maszyny i identyfikacji możliwych zbliżających się problemów, takich jak Luz, niewyważenie, niewspółosiowość, problemy smarowania i inne. Analiza drgań może wykryć takie problemy jak:

• nierównowaga
• awarie łożysk
• Luz mechaniczny
• niewspółosiowość
• rezonans i częstotliwości naturalne
• awarie silników elektrycznych
• gięte wały
• awarie skrzyni biegów
• pusta przestrzeń lub pęcherzyki (kawitacja) w pompach
• prędkości krytyczne

dostawca szkoleń VibrAlign na przykładzie wzięcia wentylatora przemysłowego, wyjęcia łopatki wentylatora i uruchomienia go. Zgodnie z oczekiwaniami wentylator wibruje z powodu niezrównoważonego koła wentylatora. Ta niezrównoważona Siła wystąpi jeden raz na obrót wentylatora. Innym przykładem może być uszkodzona prowadnica łożyskowa powodująca, że wałek łożyskowy generuje wibracje za każdym razem, gdy styka się z odpryskiem (podobnie jak dziura na autostradzie). Jeśli trzy rolki łożyskowe uderzą w odprysk na obrót, powinieneś zobaczyć sygnał wibracyjny o trzykrotności prędkości obrotowej wentylatora.

Metodologia analizy drgań

chociaż akcelerometry są nadal najczęściej używanym narzędziem do zbierania danych o drganiach, nowoczesna technologia i ulepszona technologia czujników pozwoliły na bezdotykowe, szybkie czujniki laserowe, które mogą wykrywać problemy, których akcelerometry nie mogą wykryć. pozwala to na dokładniejszą i bardziej zlokalizowaną analizę i otwiera analizę drgań na większą metodologię. Analiza drgań jest zasadniczo podzielona na cztery zasady, a każda zasada daje konkretne informacje na temat warunków pracy i cech części wibracyjnych.

1. domena czasu: gdy sygnał wibracyjny jest odbierany z przetwornika (urządzenia, które przekształca ilość fizyczną w sygnał elektryczny) i wyświetlany na ekranie oscyloskopu, nazywa się to przebiegiem. Ten sygnał jest w dziedzinie czasu. Domeną czasu jest amplituda wykreślona w stosunku do czasu. Podczas gdy większość problemów z drganiami maszyny jest wykrywana za pomocą analizy widma, niektóre typy są łatwiej widoczne w przebiegu.
2. dziedzina częstotliwości: gdy omawiany wcześniej przebieg jest poddawany analizie widmowej, efektem końcowym jest obraz częstotliwości vs. Amplituda, zwana widmem. Widmo znajduje się w domenie częstotliwości, podobnie jak wibracja w domenie czasu. Większość dogłębnej analizy drgań maszyn odbywa się w dziedzinie częstotliwości lub przy użyciu analizy widmowej.
3. domena wspólna: ponieważ sygnały drgań zmieniają się w czasie, przydatne może być obliczanie więcej niż jednego widma na raz. Aby to zrobić, można wykorzystać technikę czasu wspólnego o nazwie Gabor-Wigner-Wavelet. Technika ta jest używana do obliczania zmian szybkiej transformacji Fouriera (omówionej poniżej), w tym krótkotrwałej transformacji Fouriera (STFT).
4. analiza modalna: Analiza modalna pobiera funkcje mierzonej odpowiedzi częstotliwościowej Maszyny i umieszcza je w modelu komputerowym. Model komputera może być wyświetlany z animacjami wszystkich różnych trybów wibracji. Model można regulować, dodając lub zabierając rzeczy takie jak masa lub sztywność, aby zobaczyć efekty.

poza tymi czterema podstawowymi zasadami kryje się wiele form analizy, obliczeń i algorytmów wykorzystywanych do określania różnych aspektów analizy drgań. Należą do nich:

• przebieg czasowy: przebieg czasowy to przyspieszenie vs. czas wyświetlany jako tabele i wykresy. Przebiegi czasowe pokazują krótką próbkę czasową surowych wibracji, ujawniając wskazówki dotyczące stanu maszyn, które nie zawsze są jasne w widmie częstotliwości. Metodą wykorzystania sygnałów drgań przebiegów czasowych jako narzędzia do analizy drgań jest użycie FFT.



• szybka transformata Fouriera (FFT): FFT jest zdefiniowany jako algorytm używany do obliczania Widma z przebiegu czasowego. Innymi słowy, jest to obliczenie mające na celu rozbicie sygnału na wszystkie jego częstotliwości. Jeśli przypomnisz sobie domenę czasu i domenę częstotliwości omówioną powyżej, FFT konwertuje sygnał z domeny czasu na domenę częstotliwości. Szybka transformata Fouriera jest najczęściej używana do wykrywania usterek maszyn, takich jak niewspółosiowość lub niewyważenie.
• pomiar fazy: mówiąc o analizie drgań, faza jest względną różnicą czasu między dwoma sygnałami mierzonymi w jednostkach kąta w przeciwieństwie do czasu. Działa tylko wtedy, gdy dwa porównywane sygnały mają tę samą częstotliwość. Pomiar fazy jest używany w parze z FFT do rozszyfrowania usterek maszyny, takich jak luźne części, niewspółosiowość i niewyważenie.
• Analiza kolejności: Analiza kolejności jest odmianą analizy FFT i jest najczęściej używana do ilościowego określania drgań maszyn o różnych obrotach na minutę (RPM). Innymi słowy, analiza kolejności jest analizą częstotliwości, w której oś częstotliwości widma jest pokazana w rzędach RPM, a nie herców. Termin „porządki” odnosi się do częstotliwości, która jest wielokrotnością referencyjnej prędkości obrotowej. Na przykład, jeśli sygnał wibracyjny jest równy dwukrotności częstotliwości obrotów silnika, kolejność wynosi dwa.
• gęstość widmowa mocy (PSD): gęstość widmowa mocy jest obliczana przez pomnożenie amplitudy z FFT przez jej różne formy, aby znormalizować ją za pomocą szerokości bin częstotliwości (szerokość bin odnosi się do zgrupowanych wartości osi x). Pomyśl o PSD jako o „przypadkowych” wibracjach lub ruchu na wielu różnych częstotliwościach. PSD dokładnie porównuje losowe sygnały wibracyjne o różnych długościach sygnału.



• Analiza kopert: Analiza obwiedni jest formą analizy drgań, która może wykrywać uderzenia o bardzo niskiej energii, często ukryte przez inne sygnały wibracyjne. Jest to popularne narzędzie diagnostyczne do uszkodzonych zębów przekładni i łożysk wałeczkowych.
• Orbita: orbita jest zdefiniowana jako wykres linii środkowej łożyska tulei. Mierzy się go umieszczając dwie sondy w obudowie łożyska w odległości 90 stopni od siebie. Dane z tych sond mogą być wyświetlane cyfrowo i wykorzystywane do wykrywania drgań wału spowodowanych przez wir oleju-olej wirujący wewnątrz, powodujący ruch czopu.
• analiza rezonansowa: Analiza rezonansowa identyfikuje wszystkie naturalne wibracje i częstotliwości w maszynach. Obecność rezonansu oznacza wysokie wibracje, które mogą osiągnąć szkodliwe poziomy.

kategorie pomiaru drgań

• ogólny poziom drgań: możesz pomyśleć o sprawdzeniu ogólnego poziomu drgań, jak „zgrubna kontrola” na maszynie. Czując maszynę ręką, można określić ogólne poczucie, czy działa ona mniej więcej w szerokim paśmie częstotliwości. Ta kontrola wstępna najlepiej sprawdza się na maszynach wirujących, w szczególności maszynach szybkobieżnych. Zwykle nie ma zastosowania do maszyn tłokowych.
• analiza spektralna drgań: analiza spektralna to proces przekształcania sygnału z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości. Często robi się to za pomocą FFT. Sygnał jest analizowany w celu określenia istotnych częstotliwości pochodzących z komponentów maszyny. Tam, gdzie występuje szczyt sygnału częstotliwości, jest to prawdopodobne źródło wibracji. Typowe zastosowania do analizy spektralnej obejmują prędkość obrotową wału lub częstotliwość zazębienia na parze kół zębatych.
• dyskretne monitorowanie częstotliwości: Jeśli potrzebujesz monitorować konkretny komponent w maszynie, dyskretne monitorowanie częstotliwości mierzy poziom drgań generowanych przy określonej częstotliwości, której oczekuje się od tego komponentu. Na przykład, jeśli chcesz zajrzeć do określonego wału w maszynie, zmienisz monitorowanie na prędkość obrotową tej maszyny. Częstotliwość Dyskretna jest obliczana przy użyciu algorytmu FFT.
• monitorowanie impulsu uderzeniowego: monitorowanie impulsu uderzeniowego jest techniką konserwacji zapobiegawczej, która monitoruje łożyska elementów tocznych za pomocą ręcznego instrumentu. Ręczny instrument emituje naturalną częstotliwość, która jest wzbudzana przez wstrząsy lub wibracje generowane przez łożyska toczne. Innymi słowy, kiedy dwa kawałki metalu stykają się podczas ruchu, fale uderzeniowe rozwijają się z uderzenia, które przemieszcza się przez metal. Ta fala uderzeniowa jest używana do monitorowania impulsów uderzeniowych.
• pomiar kurtozy: Kurtosis daje miarę „kolczastości” sygnału losowego. Sygnały o wyższej wartości kurtozy mają więcej pików, które są większe niż trzykrotność wartości średniej kwadratowej (RMS) sygnału. W analizie drgań kurtosis jest używany do monitorowania rozwoju zmęczenia w łożyskach tocznych za pomocą prostego przyrządu.
• uśrednianie sygnału: ponieważ sygnały zmieniają się w czasie, uśrednianie sygnału jest ważne w analizie widma, ponieważ określa poziom sygnału na każdej częstotliwości. Jest to szczególnie ważne w przypadku pomiarów niskiej częstotliwości, ponieważ potrzebują dłuższego czasu uśredniania, aby uzyskać statycznie dokładne oszacowanie widma. Uśrednianie sygnału jest często stosowane w monitorowaniu biegu w odniesieniu do jego prędkości obrotowej. W tym przykładzie uśrednianie sygnału pokaże Ci cykliczne działanie każdego zęba w biegu. Jeśli ząb ma duże pęknięcie, zostanie wykryty ze względu na zwiększoną elastyczność.
• Analiza Cepstrum: pierwotnie wynaleziona do scharakteryzowania ECHA sejsmicznego wytwarzanego przez trzęsienia ziemi i wybuchy bomb, cepstrum służy do patrzenia na powtarzające się wzorce w widmie. Powtarzające się wzorce w widmie są wykrywane jako jeden lub dwa składniki w cepstrum z wieloma zestawami pasm bocznych, co może być mylące. Cepstrum oddziela te pasma boczne, podobnie jak widmo oddziela powtarzające się wzorce czasowe w przebiegu. Analiza Cepstrum jest często wykorzystywana do analizy interakcji między częstotliwością obrotową wirników łopatkowych a częstotliwością przechodzenia ostrza. Innym przykładem jest badanie częstotliwości zazębienia zębów przekładni i prędkości obrotowych przekładni.

Analiza drgań parametry pomiarowe

wszystkie te techniki analizy drgań pomagają zidentyfikować trzy główne parametry: przyspieszenie, prędkość (RMS) i przemieszczenie. Każdy z tych parametrów podkreśla pewne zakresy Częstotliwości na swój sposób i może być analizowany razem w celu zdiagnozowania problemów. Przyjrzyjmy się każdemu parametrowi.

• przyspieszenie: przyspieszenie ma większe znaczenie dla wysokich częstotliwości. Sygnał przyspieszenia nie jest jednak Wyłączny. Sygnał przyspieszenia można przekształcić w prędkość lub przemieszczenie.
• przemieszczenie: tak jak przyspieszenie stawia większe znaczenie na wysokich częstotliwościach, przemieszczenie patrzy na niskich częstotliwościach. Pomiary przemieszczeń są zwykle używane tylko przy badaniu szerokiego obrazu drgań mechanicznych. Możesz użyć przesunięcia, aby odkryć niewyważenie w obracającej się części z powodu znacznego przesunięcia przy częstotliwościach obrotowych wału maszyny.
• Prędkość: Prędkość jest związana z niszczącą siłą wibracji, co czyni ją najważniejszym parametrem. Przywiązuje jednakową wagę zarówno do wysokich, jak i niskich częstotliwości. Zwykle wartość RMS prędkości (mierzona w zakresie od 10 do 10 000 Hz) pokazuje najlepszy znak nasilenia drgań. RMS oblicza się przez pomnożenie amplitudy szczytowej przez 0,707.

poniżej znajduje się przykład jak wygląda przyspieszenie, przemieszczenie i prędkość na tym samym sygnale. Można zobaczyć kilka pików na tych samych częstotliwościach, ale każdy ma inną amplitudę. Jest to dobry obraz tego, jak każdy parametr przypisuje różne znaczenie zakresom częstotliwości.

narzędzia i technologia analizy drgań

zaawansowana technologia, w szczególności postęp w technologii bezprzewodowej, znacznie poprawiła sposób zbierania, interpretacji i udostępniania danych przez analityków drgań. Obecnie analizatory drgań są niezwykle przenośne, komunikują się ze smartfonami i tabletami w czasie rzeczywistym i mogą generować FFT w bardzo wysokiej rozdzielczości. Wiele firm zajmujących się instrumentami wibracyjnymi opracowuje własne aplikacje do komunikacji ze sobą.

inną formą zaawansowanej technologii, którą zobaczysz w instrumentach do interpretacji analizy drgań, są symulacje 3D drgań maszyn metodą operacyjną kształtów ugięcia (ODS). Krótko mówiąc, ten rodzaj oprogramowania wyolbrzymia3 ruchy wywołane wibracjami w modelu 3D, dzięki czemu można wizualizować siły wpływające na maszynę podczas jej pracy.

niektóre firmy zajmujące się analizą drgań oferują bazy danych z tysiącami wstępnie załadowanych częstotliwości uszkodzeń łożysk, aby pomóc ci zidentyfikować określone częstotliwości uszkodzeń łożysk. Niektóre oprogramowanie może stale monitorować geometrię elementów tocznych i ostrzegać, gdy mogą wystąpić przedwczesne awarie.

podobnie jak w przypadku najbardziej zaawansowanych technologii, większość danych analizy drgań jest automatycznie przesyłana do chmury i jest dostępna na urządzeniu mobilnym, komputerze lub bezpośrednio z przeglądarki. Jest to szczególnie przydatne, jeśli przeprowadzasz analizę drgań jako konsultant zewnętrzny, dzięki czemu możesz swobodnie udostępniać widma swoim klientom.

korzyści płynące z ciągłego monitorowania drgań

metody i narzędzia omówione w tym artykule nie tylko świetnie sprawdzają się w określaniu, co jest nie tak z urządzeniem lub maszyną (reaktywną), ale także mogą być wykorzystywane do wykrywania problemów, zanim spowodują znaczne przestoje (proaktywne). Korzystanie z analizy i monitorowania drgań pozwala ilościowo przyjrzeć się słabościom strukturalnym lub luzom, luzom elementów obrotowych i obecnemu rezonansowi.

przy prawidłowym wdrożeniu ciągłe monitorowanie drgań pomaga zoptymalizować wydajność maszyn. Dzięki zastosowaniu nowoczesnej technologii można wykonywać ciągłe odczyty drgań na różnych urządzeniach w czasie rzeczywistym i przesyłać dane bezpośrednio do smartfona, tabletu lub komputera za pośrednictwem chmury.

• Monitoruj sprzęt krytyczny: Krytyczny sprzęt to każdy sprzęt lub maszyna, które mogą spowodować duże straty finansowe w przypadku awarii. Ciągłe monitorowanie drgań pomaga wykrywać rozbieżności w spektrum drgań, co może ujawnić problemy ze smarowaniem i wady łożysk na długo przed pojawieniem się poważnych problemów.
• Monitoruj mocno zużyty sprzęt: wiele zakładów pracuje 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, zatrzymując się tylko co miesiąc lub co kwartał w celu rutynowej konserwacji. Zatrzymanie więcej niż to może kosztować roślinę znaczną ilość pieniędzy. Ciągłe monitorowanie drgań online pomaga monitorować stan mocno używanych maszyn lub maszyn z problemami i wysyła powiadomienia, gdy ten stan się zmieni.
• Monitoruj sprzęt trudno dostępny: wykonywanie konserwacji urządzeń znajdujących się w trudno dostępnych miejscach jest trudne. Maszyny na dachach, wieżach chłodniczych i tych pracujących w obszarach o wysokiej temperaturze mogą być stale monitorowane pod kątem nieprawidłowości drgań, co pozwala na przeprowadzanie konserwacji w dogodnym czasie. Zapobiega to nieplanowanym przestojom i uniemożliwia pracownikom konserwacyjnym niepotrzebny dostęp do tych lokalizacji.

Analiza drgań studium przypadku

narzędzia i techniki stosowane w procesie analizy drgań mogą być nieco mylące na papierze, więc spójrzmy na rzeczywisty przykład z IVC Technologies. To szczególne studium przypadku analizuje testowanie centrali wentylacyjnej w zakładzie farmaceutycznym. Urządzenie jest potrzebne do uruchomienia dwóch wentylatorów zasilających o wydajności, aby spełnić wymagania dotyczące zamkniętego przepływu powietrza. Centrala wentylacyjna ma Dwa sprzężone bezpośrednio wentylatory, każdy wyposażony w silnik o mocy 150 horspower. Wstępna ocena wentylatora wykazała, że urządzenie działa normalnie, gdy jeden wentylator był uruchomiony, ale po włączeniu drugiego wentylatora problemy z wibracjami pojawiły się w określonych punktach nastawy.

analiza drgań wykazała, że po włączeniu wentylatora nr 2 nastąpił niewielki wzrost amplitudy drgań we wszystkich trzech punktach pomiaru, podczas gdy wentylator nr 1 pozostał taki sam. Testy wykazały, że najwyższa Amplituda pojawiła się w pionie silnika zaburtowego przy 0,456 cala na sekundę, z dominującym szczytem przy 841 cyklach na minutę, zgodnie z technologiami IVC. Wskazywało to, że problemem mogą być drgania rezonansowe, ponieważ dane spektralne nie wykazały żadnych innych oznak problemów mechanicznych.

*informacje z IVC Technologies Air Handling Unit Case Study

jako konsultant, IVC Technologies zaleciło firmie sprawdzenie struktury ramy i dynamicznego absorbera wentylatora nr 2. Zalecono również test zderzeniowy w celu dalszej lokalizacji i analizy drgań rezonansowych.