تشخیص عیوب با روش ارتعاش سنجی و تشریح مفاهیم پایه ارتعاشات

ارتعاشات

ارتعاشات مكانيكي يا همان لرزش به نوعي از حركت سيستم هاي ديناميكي اطلاق مي شود كه به صورت نوساني (رفت و برگشتي) صورت پذيرفته و حركت در يك بازه زماني تكرار می شود.اين نوع حركت را در ساده ترين شكل مي توان با يك جرم و يك فنر شبيه سازي كرد. با القاء يك تغيير مكان اوليه به جرم متصل به فنر و رها كردن آن، حركت نوساني رخ مي دهد.

لرزش یا همان حرکت ارتعاشی دارای مشخصه هایی است که به شرح آنها می پردازیم:

فركانس يا تواتر، كه معياري از نرخ حركت در واحد زمان است.

فاز، كه توالي حركت را نسبت به يك مرجع مشخص مي سنجد.

دامنه، كه معياري از شدت ارتعاش است.

دامنه ارتعاش را مي توان از طريق سه پارامتر جابجايي ، سرعت ، شتاب بيان كرد.

سرعت: از نظر رياضي مشتق جابجايي است كه نرخ تغييرات جابجايي در واحد زمان را نشان مي دهد

شتاب: از نظر رياضي، مشتق سرعت است و نرخ تغييرات سرعت در واحد زمان را نشان مي دهد

جابجایی: پارامتر اوليه دامنه كه در مورد سيستم جرم و فنر، موقعيت جرم را در هر لحظه اثبات مي کند

علت وجود ارتعاش در تجهیزات دوار

به طور كلي دو نوع نيروي استاتيكي و ديناميكي در ماشين آلات وجود دارد. نيروهاي ارتعاش زا از نوع نيروهاي ديناميكي هستند كه بر اثر وجود كاستي هايي در ماشين ايجاد مي شوند.

برخي از زمينه هاي بروز كاستي عبارتند از:

اشكال در نصب اوليه

اشكالات بهره برداري

بروز اشكالات در حين تعميرات

محدوديتهاي طراحي

محدوديتهاي ساخت

از آنجايي كه رسيدن به حالت ايده آل امكان پذير نيست، هميشه تا حدي لرزش و ارتعاش در ماشين آلات وجود دارد كه مجاز شمرده مي شود اما با گذشت زمان و بر اثر بروز اشكالات بعدي، بعضاً ارتعاشات از حد مجاز افزايش مي يابد كه با آناليز و انجام اقدام اصلاحي مناسب، مي توان وضعيت را به حالت قبل برگرداند.

نيروهاي ارتعاش زا در داخل ماشين و معمولاً در سيستم روتور (يعني بخش در حال دوران ) توليد مي شوند.

امپدانس از مشخصات سيستم های مكانيكي و از جمله ماشين آلات دوار است و مسير انتقال ارتعاش را توصيف مي كند.

ارتعاشاتي كه معمولاً از روي بخش ساكن ماشين آلات و به ويژه از روي هوزينگ بيرينگ اندازه گيري مي شود، تحت تأثير دو پارامتر فوق است.

برخي از عيوبي كه به كمك ارتعاش سنجي و تحليل سيگنال لرزش ماشين آلات شناسايي مي شوند عبارتند از:

ناميزاني جرمي – ميس الايمنت (نا هم راستايي) – رزونانس (تشدید) – لقي مكانيكي – خرابي چرخ دنده – خرابي بيرينگ – خارج از محوری – شفت خميده – فونداسيون معيوب – اشكالات الكتريكي – اشكالات آیروديناميكي و هيدروديناميكي – خرابي كوپلينگ – خرابي تسمه و پولي – اشكالات پايپينگ و غیره.

نكته مهم و كليدي در عيب يابي از طريق تحليل ارتعاشات اين است كه هر ارتعاشی در تجهيزات دوار، با مشخصات خاصی مانند دامنه، فركانس، فاز و غیره خود را نشان می دهد.

از این رو راه هایی وجود دارد که بر اساس این مشخصات می توان عیوب را شناسایی و رفع کرد که به شرح آنها می پردازیم.

سنسورهای ارتعاش سنجی

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 ذخیره سازی، انجام پردازشهای بعدی و نیز مشاهده سیگنال از طریق دستگاه های الکترونیکی نیز فراهم می شود.

به طور کلی با توجه به مکانیزم کاری و پارامتر اصلی اندازه گیری، سنسورهای ارتعاش سنجی در سه گروه دسته بندی می شوند که عبارتند از شتاب سنج – سرعت سنحج – جابجایی سنج

 تكنيكهاي تحليل ارتعاشات

برخی از تکنیکهای رایج تحلیل ارتعاشات در کاربردهای مختلف و به ویژه موضوع پایش وضعیت تجهیزات دوار به شرح زیر است.

تحلیل مقدار کلی ارتعاشات برای پایش وضعیت

این روش به عنوان ساده ترین تکنیک برای ارزیابی وضعیت ماشین آلات دوار بکار می رود.

استانداردهای مختلفی نیز برای تعیین مقادیر مجاز ارتعاشات وجود دارند که از آن جمله آنها ISO 10816 است. شایان ذکر است میزان ارتعاش نرمال ماشین در جهات محوری، عمودی و افقی رخ می دهد. البته این قاعده ممکن است در برخی موارد صادق نباشد، اما صحت آن در اغلب موارد به اثبات رسیده است. لذا با توجه به چگونگی تغییر این الگو می توان برخی از اشکالات را حتّی بدون منحنی فرکانسی حدس زد.

آنالیز طیف فرکانسی یا SPECTRUM

پس از یکسری پردازشهای اولیه بر روی سیگنال ارتعاشات، برای به دست آوردن منحنی طیف فرکانسی از الگوریتم FFT یا تبدیل فوریه سریع استفاده می گردد.لذا گاهی اوقات به منحنی فرکانسی منحنی FFT نیز گفته می شود.

تحلیل شکل موج زمانی ارتعاش

شکل موج ارتعاشات، در واقع سیگنال بدون پردازش است و لذا در تحلیل دینامیکی ماشین از اهمیت خاصی برخوردار است. برخی عیوب نظیر شکستگی چرخ دنده ها، عیوب دارای pulse ، ارتعاشات ضربانی (beat) ، پدیده مدولاسیون و… از طریق تحلیل شکل موج لرزش تشخیص داده می شوند.

آنالیز زاویه فاز

از طریق مقایسه مقادیر زاویه فاز ارتعاش در نقاط مختلف ماشین، می توان شمایی از چگونگی حرکت اجزاء مختلف آن نسبت به یکدیگر به دست آورد. در برخی موارد، مشخصات فرکانسی لرزش مشابه یکدیگر می باشد و لذا تمایز بین این عیوب تنها از طریق منحنی اسپکتروم امکان پذیر نخواهد بود.در اینگونه موارد می بایست از سایر مشخصات سیگنال ارتعاشی مانند زاویه فاز برای تفکیک عیوب از هم استفاده کرد.

برخی از کاربردهای آنالیز زاویه فاز عبارتند از:

تشخیص ترک در شفت

به دست آوردن شکل مودها

تشخیص نامیزانی جرمی، میس الایمنت و شفت خمیده از یکدیگر

مونیتورینگ ارتعاشات در ایستگاه تقویت فشار گاز

بالانس دینامیکی

تشخیص رزونانس و سرعت بحرانی

در ایستگاه تقویت فشار گاز برای اندازه گیری ارتعاشات پوسته یاتاقان و ارتعاشات نسبی شفت از دو نوع سنسور شتاب و جابجایی استفاده می شود.

سنسورهای شتاب از نوع پیزوالکترینک مدل CA201 بوده و بر روی یاتاقان در جهت عمودی نصب شده اند.

سنسور جابجایی بر روی پوسته یاتاقان نصب شده و نوک پروب آنها در مجاورت شفت می باشد و جابجایی نسبی شفت و یاتاقان را اندازه گیری می نمایند.این سنسور احتیاج به یک دستگاه نوسان ساز و دمدولاتور دارد که در نزدیکی آن نصب شده است.

منبع: پایگاه علمی و پژوهشی سیویلیکا