عنوان صفحه

آنالیز ارتعاشات

آنالیز ارتعاشات

مقدمه

علم ارتعاشات (مشتمل بر اندازه‏گیری و تحلیل ارتعاش) کاربردهای زیادی در صنعت دارد که برخی از آن‏ها عبارتند از:

• طراحی دینامیکی ماشین‏آلات و سازه‏ها (تحلیل روتور دینامیک و آنالیز مودال)
• تست‏های کنترل کیفیت
• تست پذیرش تجهیزات پس از نصب
• طراحی سیستم‏های کنترل و ایزوله کردن ارتعاشات
• پایش وضعیت، حفاظت فنی و عیب‏یابی ماشین‏آلات

مفاهیم اولیه ارتعاشات و حرکت ارتعاشی

ارتعاشات چیست؟

لرزش یا ارتعاشات مکانیکی، نوعی از حرکت‏های سیستم‏های دینامیکی هستند که به شکل نوسانی صورت می‏پذیرند و این عمل در یک بازه زمانی تکرار می‏شود.

این نوع حرکت را در ساده‏ترین شکل می‏توان با یک وزنه و یک فنر شبیه‏سازی کرد. با تغییر مکان اولیه وزنه متصل به فنر و رها کردن آن، حرکت نوسانی رخ می‏دهد که می‏توان دامنه آن را به کمک یک تابع سینوسی بیان نمود

 

 

مشخصه‏های مهم حرکت ارتعاشی عبارتند از:

• دامنه که معیاری از شدت ارتعاش است.
• فرکانس که معیاری از نرخ حرکت در واحد زمان است.
• فاز که توالی حرکت را نسبت به یک مرجع مشخص می‏سنجد.

به طور کلی، دامنه هر موج سینوسی را به سه شکل می‏توان تعیین کرد:

• مقدار صفر تا پیک (۰-Peak)
• مقدار پیک تا پیک (Peak-Peak)
• مقدار مؤثر (مقدار rms)

 

 

پریود زمانی حرکت، بازه زمانی است که سیستم، سیکل ارتعاشی خود را تکرار می‏کند.

فرکانس ارتعاشات، درواقع عکس پریود زمانی است. معمولاً فرکانس را با واحدی به نام هرتز اندازه‏گیری می‏کنند.

فاز، همیشه نسبت به یک مرجع سنجیده می‏شود و توالی حرکت را نسبت به آن نشان می دهد. معمولاً واحد فاز درجه است.

به طور کلی، دو نوع نیروی استاتیکی و دینامیکی در ماشین‏آلات وجود دارد.

نیروهای ارتعاش‏زا از نوع نیروهای دینامیکی هستند که بر اثر وجود کاستی‏هایی در ماشین ایجاد می‏شوند.

برخی از زمینه‏های بروز کاستی (انحراف از حالت ایده‏آل) عبارتند از:

• محدودیت‏های طراحی
• محدودیت‏های ساخت
• اشکال در نصب اولیه
• اشکال در بهره‏برداری
• بروز اشکالات در حین تعمیرات

از آن‏جایی‏که رسیدن به حالت ایده‏آل امکان‏پذیر نیست، همیشه تا حدی لرزش و ارتعاش در ماشین‏آلات وجود دارد که مجاز شمرده می شوند. اما با گذشت زمان و بر اثر بروز اشکالات بعدی، ممکن است میزان ارتعاشات نسبت به حد مجاز افزایش یابد که با آنالیز ارتعاشات و انجام اقدامات اصلاحی مناسب، می‏توان وضعیت را به حالت قبل برگرداند.

رابطه زیر میزان ارتعاش ماشین را تعیین می‏کند:

Vibration = Vibratory Force / Impedance

مقاومت مکانیکی / نیروی ارتعاشی ₌ ارتعاش

نیروهای ارتعاش‏زا در داخل ماشین و معمولاً در سیستم روتور (بخش در حال دوران ماشین) تولید می شوند. امپدانس یا مقاومت مکانیکی از مشخصات هر سیستم مکانیکی است و مسیر انتقال ارتعاش را توصیف می‏کند.

ارتعاشاتی که معمولاً از روی استاتور (بخش ساکن ماشین) اندازه گیری می شود، تحت تأثیر دو پارامتر فوق است.

حال دو پارامتر فوق؛ یعنی نیروهای ارتعاش‏زا و امپدانس را جداگانه بررسی می‏کنیم.

برخی از عوامل ایجاد نیروهای ارتعاش‏زا در ماشین‏آلات، عبارتند از:

• عدم تعادل و توازن ماشین
• سایش اجزا و قطعات
• نیروهای آئرودینامیکی و هیدرودینامیکی
• نیروهای الکترومغناطیسی
• تماس قطعات متحرک و ثابت
• اصطکاک

امپدانس (مقاومت مکانیکی در برابر حرکت) سه مؤلفه دارد که عبارتند از:

• جرم
• سفتی
• میرایی

برخی عوامل بدون این‏که از خود نیرویی تولید کنند، تنها از طریق تأثیر بر امپدانس، منجر به تشدید ارتعاش می شوند. مهم‏ترین این عوامل عبارتند از:

• لقی مکانیکی
• تحریک فرکانس‏های طبیعی اجزا (رزونانس)
• ضعف در فونداسیون و یا شاسی ماشین‏آلات
• ضعیف بودن سازه

ارتعاشات هر تجهیز دوار (چه از نظر دامنه و چه از نظر سایر مشخصات ارتعاش) ارتباط مستقیمی با وضعیت آن دارد و هرگونه تغییر در وضعیت تجهیز (هر چند جزیی) با تغییر در وضعیت ارتعاشات آن تجهیز همراه خواهد بود.

منظور از تغییر وضعیت تجهیز، تغییر در شرایط بهره‏برداری تجهیز، بروز اشکال (مکانیکی، الکتریکی و غیره) در تجهیز، تغییر بار وارد بر تجهیز و موارد دیگر می‏باشد.

بنابراین، اندازه‏گیری و تحلیل ارتعاشات یکی از تکنیک‏های اصلی برای پایش وضعیت تجهیزات و ماشین‏آلات دوار به شمار می‏رود.

برخی عیوب قابل شناسایی از طریق آنالیز ارتعاشات

v      نامیزانی جرمی v      تشدید (رزونانس) v      لقی مکانیکی v      خرابی بیرینگ v      خرابی چرخ‏دنده v      فونداسیون معیوب v      اشکالات الکتریکی

v      اشکالات آئرودینامیکی و هیدرودینامیکی v      خرابی کوپلینگ v      خرابی تسمه و پولی v      اشکالات پایپینگ v      اعوجاج پوسته v      خارج از مرکزی v      شفت خمیده

نکته مهم و کلیدی در عیب‏یابی از طریق تحلیل ارتعاشات این است که:

هر عیبی در تجهیزات دوار، لرزش و ارتعاشی با مشخصات خاص خود (از لحاظ دامنه، فرکانس، فاز و غیره) ایجاد می‏نماید.

حداقل امکاناتی که برای پیاده کردن برنامه مراقبت وضعیت بر مبنای ارتعاش‏سنجی مورد نیاز هستند، عبارتند از:

• انواع حسگرهای ارتعاش‏سنجی
• انواع تجهیزات داده‏برداری
• نرم‏افزار پردازش و مدیریت اطلاعات

 

 

حسگرهای ارتعاش‏سنجی

حسگر ارتعاش‏سنجی اولین وسیله مورد نیاز برای اندازه‏گیری ارتعاشات و ابزاری است که حرکت ارتعاشی را حس کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی AC متناسب با حرکت ارتعاشی، تبدیل می کند.

با تبدیل ارتعاشات به سیگنال الکتریکی، امکان ذخیره‏سازی، انجام پردازش‏های بعدی و نیز مشاهده سیگنال از طریق دستگاه‏های الکترونیکی (تجهیزات داده برداری) فراهم

نکاتی که در مورد حسگرها باید دانست، عبارتند از:

• نوع حسگر
• انتخاب صحیح حسگر، با توجه به مشخصات آن (حساسیت، پاسخ فرکانسی، بازه دینامیکی، بازه اندازه‏گیری، ابعاد، وزن، دما و غیره)
• نصب صحیح حسگر
• وضعیت مناسب اتصالات حسگر و کابل آن

با توجه به مکانیزم کاری و پارامتر اصلی اندازه‏گیری، حسگرهای ارتعاش‏سنجی در سه گروه دسته‏بندی می شوند:

• جابه‏جایی‏سنج
• سرعت‏سنج
• شتاب‏سنج

هر یک از دسته‏های فوق، خود به انواع مختلفی  تقسیم‎‏بندی می‏شوند.

به عنوان مثال، شتاب‏سنج‏ها

به سه زیرگروه زیر تقسیم می‏شوند:

• شتاب‏سنج‏های پیزوالکتریک
• شتاب‏سنج‏های پیزورسیستیو
• شتاب‏سنج‏های خازنی

بررسی روش‏های اجرای آنالیز ارتعاشات

برخی از روش‏های رایج تحلیل ارتعاشات در کاربردهای مختلف و به ویژه موضوع پایش وضعیت تجهیزات دوار عبارتند از:

• تحلیل مقدار کلی ارتعاشات
• پارامترها و مشخصه‏های بیرینگ‏های غلتشی مانند BP، BCU، SEE، Crest، K-Factor، Peak Value
• آنالیز طیف فرکانسی (آنالیز FFT یا Spectrum)
• تحلیل شکل موج زمانی ارتعاش
• آنالیز Envelope
• تحلیل زاویه فاز
• آنالیز Orbit
• تحلیل Run Up و Coast Down (منحنی مرکز شفت، منحنی آبشاری و غیره)

 

تحلیل مقدار کلی ارتعاشات

این روش به عنوان ساده‏ترین تکنیک برای ارزیابی وضعیت ماشین‏آلات دوار به ‏کار می‏رود. استانداردهای مختلفی نیز برای تعیین مقادیر مجاز ارتعاشات وجود دارند که متداول‏ترین آن ISO 10816 است.

در واقع، در این روش، برای هر یک از قسمت‏های مختلف تجهیز میزان مجازی برای ارتعاش در نظر می‏گیرند و اگر ارتعاش اندازه‏گیری شده بالاتر از حد مجاز شد به معنای وجود عیب در تجهیز است.

در استاندارد ISO 10816 ارتعاشات مجاز در هر سه بعد طولی، عرضی و ارتفاع ثبت شده است.

آنالیز فرکانسی

عیوب مختلفی که برای ماشین‏آلات دوار رخ می دهند، هرکدام همراه با رفتار دینامیکی خاص خود و به تعبیر دیگر با مشخصه های ارتعاشی ویژه‏ای رخ می‏دهند. یکی از مشخصه‏های مهم ارتعاش، فرکانس ارتعاشی است.

معمولاً ارتعاش اندازه‏گیری شده از روی ماشین، یک سیگنال پیچیده و ترکیبی از چندین سیگنال ارتعاشی با فرکانس‏های مختلف است. آنالیز فرکانسی که به آن آنالیز اسپکتروم یا FFT نیز می گویند، یک فرآیند پردازش سیگنال است که به کمک آن محتوای فرکانسی سیگنال ارتعاشی به دست می آید. در منحنی های FFT، محور افقی، فرکانس و محور عمودی، دامنه ارتعاش را نشان می دهد.

به طور کلی، عیوب مختلف، منجر به ایجاد طیف‏های فرکانسی خاص خود می‏شوند و از این طریق می‏توان به تشخیص اشکالات موجود در تجهیز پرداخت.

در بسیاری از عیوب، فرکانس ارتعاشات ایجاد شده با دور ماشین ارتباط دارد و در واقع مضارب صحیحی از دور ماشین در منحنی FFT دیده می شود. این مضارب را به شکل ۱*rpm، ۲*rpm و ۳*rpm نشان می‏دهند.

جداول زیادی وجود دارند که مشخصات فرکانسی عیوب رایج را بیان می‏نمایند.

یک نمونه ساده شده از این جداول در ادامه می‏آید

                                                                                مشخصات فرکانسی عیوب رایج

                                                                    

 

تحلیل شکل موج زمانی ارتعاش

شکل موج ارتعاشات، در واقع سیگنال ارتعاشات بدون تقریباً هیچ‏گونه پردازشی است.

بنابراین، در تحلیل دینامیکی ماشین از اهمیت خاصی برخوردار است. در واقع، برخی عیوب نظیر شکستگی چرخ‏دنده ها، ارتعاشات ضربانی، پدیده مدولاسیون از طریق تحلیل شکل موج ارتعاش، آسان‏تر تشخیص داده می‏شوند.

تحلیل زاویه فاز

از طریق مقایسه مقادیر زاویه فاز ارتعاش در نقاط و جهات مختلف اندازه‏گیری بر روی تجهیز، می‏توان اطلاعاتی از چگونگی حرکت اجزای مختلف تجهیز نسبت به یک‏دیگر به دست آورد. در برخی موارد، مشخصات فرکانسی ارتعاش ناشی از عیوب مختلف، مشابه یک‏دیگر می باشند و لذا تمایز بین این عیوب تنها از طریق منحنی فرکانسی امکان‏پذیر نخواهد بود. در این‏گونه موارد باید از سایر مشخصات سیگنال ارتعاشی مانند زاویه فاز برای تفکیک عیوب از هم استفاده کرد؛ زیرا برخلاف تشابه منحنی‏های فرکانسی، الگوی زاویه فاز در مورد اشکالات مختلف، متمایز می باشد.

به طور کلی، برخی از کاربردهای زاویه فاز عبارتند از:

• تشخیص ترک در شفت
• تعادل دینامیکی
• تشخیص تشدید (رزونانس) و سرعت بحرانی
• به دست آوردن شکل حالت‏های مختلف (Moods)
• تشخیص نامیزانی جرمی، ناهم‏راستایی و شفت خمیده از یکدیگر