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