آنالیز ارتعاشات


12-3-1- ارتعاشات
ارتعاشات به نوعی از حرکت سیستمهای دینامیکی اطلاق می شود که به صورت نوسانی صورت پذیرفته و حرکت در یک پریود زمانی تکرار شود.

این نوع حرکت را در ساده ترین شکل می توان با یک جرم و یک فنر شبیه سازی کرد. با القاء یک تغییر مکان اولیه به جرم متصل به فنر و رها کردن آن، حرکت نوسانی رخ می دهد که می توان دامنه آن را به کمک یک تابع سینوسی بیان نمود.


آنالیز ارتعاشات
12-3-1- ارتعاشات

ارتعاشات به نوعی از حرکت سیستمهای دینامیکی اطلاق می شود که به صورت نوسانی صورت پذیرفته و حرکت در یک پریود زمانی تکرار شود.

این نوع حرکت را در ساده ترین شکل می توان با یک جرم و یک فنر شبیه سازی کرد. با القاء یک تغییر مکان اولیه به جرم متصل به فنر و رها کردن آن، حرکت نوسانی رخ می دهد که می توان دامنه آن را به کمک یک تابع سینوسی بیان نمود.

شکل 12-5(حرکت جرم و فنر

مشخصه های 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 می سنجد.

دامنه ارتعاشات را می توان از طریق سه پارامتر مختلف بیان کرد:

· جابجایی · سرعت · شتاب

12-3-2- ارتعاش در ماشین آلات دوار

به طور کلی دو نوع نیروی استاتیکی و دینامیکی در ماشین آلات وجود دارد. نیروهای ارتعاش زا از نوع نیروهای دینامیکی هستند که بر اثر وجود کاستی هایی در ماشین ایجاد می شوند. برخی از زمینه های بروز کاستی (اختلاف از حالت ایده آل) عبارتند از:

- محدودیتهای طراحی
- محدودیتهای ساخت
- اشکال در نصب اولیه
- اشکالات بهره برداری
- بروز اشکالات در حین تعمیرات
- و ...

از آنجایی که رسیدن به حالت ایده آل امکان پذیر نیست، همیشه تا حدی ارتعاش در ماشین آلات وجود دارد که مجاز شمرده می شود. اما با گذشت زمان و بر اثر بروز اشکالات بعدی، بعضاً ارتعاشات نسبت به حد مجاز افزایش می یابد که با آنالیز و انجام اقدام اصلاحی مناسب، می توان وضعیت را به حالت قبل برگرداند.

رابطه زیر میزان ارتعاش ماشین را تعیین می کند:

Vibration = Vibratory Force / Impedance

نیروهای ارتعاش زا در داخل ماشین و معمولاً در سیستم روتور (یعنی بخش در حال دوران) تولید می شوند. امپدانس از مشخصات هر سیستم مکانیکی و از جمله ماشین آلات دوار است و مسیر انتقال ارتعاش را توصیف می کند.

ارتعاشاتی که معمولاً از روی بخش ساکن (استاتور) ماشین آلات و به ویژه از روی Housing Bearing اندازه گیری می شود، تحت تأثیر دو پارامتر فوق است.
اکنون دو پارامتر فوق (یعنی نیروهای ارتعاش زا و امپدانس) را جداگانه بررسی می کنیم.

12-3-2-1- نیروهای ارتعاش زا (Vibratory Forces):
برخی از عوامل ایجاد نیروهای ارتعاش زا در ماشین آلات، عبارتند از:
- Misalignment
- نامیزانی جرمی
- سایش اجزا و قطعات
- نیروهای آئرودینامیکی و هیدرودینامیکی
- نیروهای الکترومغناطیسی
- تماس قطعات متحرک و ثابت
- اصطکاک
- . . .
12-3-2-2- امپدانس (Impedance)

امپدانس و یا مقاومت مکانیکی در برابر حرکت، از خصوصیات هر سیستم مکانیکی است که سه مؤلفه دارد:
1- جرم 2- سفتی 3- میرایی (Damping)

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

- لقی مکانیکی
- تحریک فرکانسهای طبیعی اجزاء (Resonance)
- ضعف در فونداسیون و یا شاسی ماشین آلات
- ضعیف بودن سازه (Structure)
- . . .
12-3-3- ارتعاشات به عنوان مشخص کننده وضعیت تجهیز

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

منظور از تغییر در وضعیت تجهیز یعنی:
- تغییر در شرایط بهره برداری تجهیز
- بروز اشکال (مکانیکی، الکتریکی، . . . ) در تجهیز
- تغییر بار وارد بر تجهیز
- . . .
لذا اندازه گیری و آنالیز ارتعاشات یکی از تکنیکهای اصلی برای Monitoring تجهیزات و ماشین آلات دوار به شمار می رود.

شکل 12-7 (برخی از عیوبی که به کمک ارتعاشات شناسایی می شوند

برخی از عیوبی که به کمک ارتعاشات شناسایی می شوند:

1. نامیزانی جرمی 2. Misalignment 3. Resonance 4. لقی مکانیکی 5. خرابی Bearing 6. خرابی چرخ دنده 7. خارج از مرکزی 8. شفت خمیده 9. فونداسیون معیوب 10. اشکالات الکتریکی 11. اشکالات آئرودینامیکی و هیدرودینامیکی 12. خرابی کوپلینگ 13. خرابی تسمه و پولی 14. اشکالات piping 15. اعوجاج پوسته

نکته مهم و کلیدی در عیب یابی از طریق آنالیز ارتعاشات این است که:
هر عیبی در تجهیزات دوار، ارتعاشاتی با مشخصات خاص خود (از لحاظ دامنه، فرکانس، فاز و ...) ایجاد می نماید.

12-4- امکانات مورد نیاز برای اجرای CM
حداقل امکاناتی که برای پیاده کردن سیستم CM بر مبنای ارتعاش سنجی (به صورت off-line) مورد نیاز هستند عبارتند از:
12-4-1- سنسورهای ارتعاش سنج

تصویر زیر انواع مختلفی از سنسورهای ارتعاش سنج را نشان می دهد: شکل 12-8 (تصویر انواع مختلفی از سنسورهای ارتعاش سنجی سنسور ارتعاش سنجی اولین وسیله مورد نیاز برای اندازه گیری 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 ذخیره سازی، انجام پردازشهای بعدی و نیز مشاهده سیگنال از طریق دستگاه های الکترونیکی (تجهیزات داده برداری) فراهم می شود.

نکاتی که درباره سنسورها حایز اهمیت هستند، عبارتند از:
- نوع سنسور

- انتخاب صحیح سنسور، با توجه به مشخصات سنسور (حساسیت، پاسخ فرکانسی، رنج دینامیکی، رنج اندازه گیری، ابعاد، وزن، دمای کاری، نوع کانکتور، جهت اندازه گیری، نوع تغذیه سنسور، ...)
- نصب صحیح سنسور
- وضعیت مناسب اتصالات سنسور و کابل آن

در ادامه موارد فوق را به ترتیب بررسی می کنیم، ابتدا آشنایی با انواع سنسورهای ارتعاش سنجی :

به طور کلی با توجه به مکانیزم کاری و پارامتر اصلی اندازه گیری، سنسورهای ارتعاش سنجی در 3 گروه دسته بندی می شوند:

- شتاب سنج
- سرعت سنج
- جابجایی سنج
سه نوع شتاب سنج رایج وجود دارد که عبارتند از:
- شتاب سنجهای پیزو الکتریک
- شتاب سنجهای پیزو رسیستیو
- شتاب سنجهای خازنی

شتاب سنجهای پیزوالکتریک رایج تر هستند و از نظر نحوه تأثیر پذیری از ارتعاش و تولید سیگنال الکتریکی، در 2 نوع دسته بندی می شوند: نوع فشاری (Compression type) و نوع برشی (Shear Type). المان اصلی این نوع از شتاب سنجها از مواد پیزوالکتریک مثل کوارتز و یا انواع خاصی از سرامیک ساخته می شود. این مواد بر اثر تحریک شدن، سیگنال الکتریکی تولید می کنند. شماتیک ساختمان این نوع از سنسورها را در شکل زیر می بینید: شکل 12-9 (شماتیک ساختمانسنسور شتاب سنج

همانطور که در شکل پیداست، اجزاء اصلی عبارتند از: یک وزنه، ماده کریستال (پیزوالکتریک)، یک فنر برای پیش بارگذاری، تقویت کننده و پایه. این نوع پیکربندی به گونه ای است که نیروی وارد بر ماده پیزوالکتریک و در نتیجه سیگنال الکتریکی تولید شده توسط آن، متناسب با شتابی است که بر پایه (base) وارد می شود. از آنجاییکه سیگنال ایجاد شده معمولاً ضعیف است، از یک مدار داخلی برای تقویت سیگنال استفاده می شود. نهایتاً خروجی سنسور از طریق کابلهای مناسب به ابزارهای پردازش سیگنال هدایت می شود.
12-4-2- تجهیزات داده برداری

دستگاه های اندازه گیری لرزش می توان به سه دسته تقسیم کرد:

دسته اول) Vibration meter
دسته دوم) Vibration meter and data collector
دسته سوم) Vibration meter , data collector and analyzer
به همراه دستگاههای vibration data collectorمعمولا نرم افزارهایی جهت مدیریت داده های ارتعاشی میآید.
هنگامی تعداد دستگاه های اندازه گیری در واحدهای صنعتی زیاد می شود با گذشت زمان حجم بالایی از اندازه گیری توسط قسمت CM جمع آوری می گردد. داده ها به دو صورت online و offline توسط دستگاه های قابل حمل جمع آوری ارتعاشات و نصب در محل نشان داده می شوند.در حالت offline هنگامی که بخواهیم از روشهای حتی ساده آنالیز داده استفاده بکنیم داشتن مدیریت داده ها و ترسیم آنها کمک بزرگی به پیشبرد برنامه ی Predictive Maintenance می کند. به عبارتی دیگر، همراه دستگاه Vibration data collector نرم افزار پشتیبانی ارایه می گردد که عمل collecting ,trending reporting ، چاپ نتایج، دادن اخطار، اطلاع از عدم دادن داده و مرتب کردن زمان اندازه گیری از جمله وظایف آنهاست.
دستگاه VT60 که سه عمل Data Collector, Data Analyzerو Field Balancing به همراه نرم افزار XMS وظایف مذکور را انجام می دهد
تصویر زیر یک دیتا کالکتور (ساخت شرکت B&K) را نشان می دهد:

شکل12-10( تصویر یک دیتا کالکتور


12-4-3- نرم افزار پردازش و مدیریت اطلاعات
معمولاً به همراه دستگاه های ارتعاش سنجی که برای برنامه CM طراحی و ساخته می شوند، نرم افزارهای تخصصی نیز برای برقراری ارتباط دستگاه با کامپیوتر ارائه می گردد. این نرم افزارها برای مدیریت اطلاعات (ذخیره سازی، پردازش و ...) استفاده می شوند. نرم افزار xmsنرم افزار پشتیبان ومکمل دستگاه اندازه گیری VT60است که باعث آسانتر شدن تحلیل داده ها ،تعمیرات ماشین و reporting میشود.
برنامه xms یک نرم افزار پیشرفته برای CM ،یک کارکرد اطلاعاتی هوشمند که جمع آوری اطلاعات جامع ماشین با مهارت کامل انجام می دهد. این نرم افزار قوی قابلیت سفارشی بودن را دارد و کاربر می تواند به آسانی اطلاعات ماشین ، عکس های مربوطه و logoها و گزارشات را سازماندهی کند.
از قابلیت دیگر این نرم افزار می توان به توابع آنالیزی قوی، پایگاه داده های بسیار وسیع در مورد) Roller bearing element) وگزارش گیری به صورت خودکار با الگوهای سفارشی نام برد.
این نرم افزار تخصصی برای برقراری ارتباط دستگاه به کامپیوتر به همراه دستگا های ارتعاش سنج VT60طراحی شده و بر مبنای مدیریت داده ها مورد استفاده قرار می گیرید.
جهت استفاده بهینه از نرم افزار XMS ابندا می بایست Vibration Measurement Planning را با توجه به سیاست کلی تعمیرات پایه ریزی کرد؛ لذا با دسته بندی دستگاه های هر واحد و قرار دادن دستگاه های واحدهای مشابه در یک Route اندازه گیری، نسبت به تعریف بانک اطلاعاتی و ساخت آن اقدام نمود. با اندازه گیری داده ها طبق برنامه ی از پیش تنظیم شده اندازه گیری و تکرار آنها به راحتی میتوان اعداد اندازه گیری شده را برای هر نقطه از دستگاه در گذر زمان به صورت تاریخچه در آورده و نسبت به تغییرات آن نقطه و فاصله آن با محدوده های Alarm و Danger آگاه شد.
این نرم افزار نه تنها محدوده اخطار، اعداد کلی ارتعاش و داده های پروسسی میتواند تعیین کند ،بلکه با Sepctrum های ارتعاشی این نرم افزار، می توان گام گسترده ای در تعمیرات پیشگیرانه برداشت. در زیر نمایی از نرم افزار XMS تولید شرکت B&K را مشاهده می کنید:

شکل12-11 (نمایی از نرم افزار XMS 12-5- روشها و تکنیکهای آنالیز ارتعاشات
برخی از تکنیکهای رایج آنالیز ارتعاشات در کاربردهای مختلف عبارتند از:

- تحلیل مقدار کلی ارتعاشات
- مشخصه های Bearingهای غلتشی (BCU، BP، Crest factor، k-factor، PeakValue، SEE و ... )
- آنالیز طیف فرکانسی (آنالیز FFT یا Spectrum)
- آنالیز شکل موج
- آنالیز Envelope
- آنالیز کپستروم
- آنالیز زاویه فاز
- آنالیز Run up و Coast Down (منحنی بود، منحنی نایکویست، منحنی مرکز شفت، منحنی آبشاری یا Waterfall)
- آنالیزOrbit
- و ...

در ادامه ابتدا برخی از تکنیکهای فوق به اختصار معرفی می شوند و سپس موضوع "تشخیص عیوب رایج تجهیزات دوار از طریق تحلیل فرکانسی و آنالیز زاویه فاز" را با تفصیل بیشتر دنبال خواهیم کرد.
12-5-1- تحلیل مقدار کلی ارتعاشات
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 ISO 10816 است که در بخش معرفی منابع به آن پرداخته شد. شایان ذکر است با توجه به الگوی 7-4-2 به ترتیب و از کم به زیاد، میزان ارتعاش نرمال ماشین در جهات محوری، عمودی و افقی رخ می دهد. البته این یک قاعده سر انگشتی است و 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 حتی بدون در دست داشتن منحنی فرکانسی حدس زد.
12-5-2- آنالیز طیف فرکانسی (آنالیز FFT یا Spectrum)
این تکنیک بدون شک یکی از مهم ترین تکنیکهای رایج در آنالیز ارتعاشات است. 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 به منحنی فرکانسی گاهی اوقات منحنی FFT نیز گفته می شود.

به طور کلی عیوب مختلف، منجر به ایجاد طیف های فرکانسی خاص خود می شوند که این موضوع در ادامه مباحث عیب یابی دنبال خواهد شد.
12-5-3- آنالیز شکل موج

شکل موج ارتعاشات، در واقع سیگنال ارتعاشات بدون تقریباً هیچگونه پردازشی است و لذا در تحلیل دینامیکی ماشین از اهمیت خاصی برخوردار است. در واقع برخی عیوب نظیر شکستگی چرخ دنده ها، عیوبی که pulse ایجاد می کنند، ارتعاشات ضربانی (beat) و ... از طریق شکل موج آسان تر تشخیص داده می شوند.

12-5-4- آنالیز زاویه فاز
از طریق مقایسه مقادیر زاویه فاز در نقاط مختلف اندازه گیری بر روی ماشین یا هر سازه دیگری، می توان شمایی از چگونگی حرکت اجزاء مختلف آن نسبت به یکدیگر به دست آورد. در برخی موارد، مشخصات فرکانسی ارتعاشات ناشی از عیوب مختلف، مشابه یکدیگر می باشد و لذا تمایز بین این عیوب تنها از طریق منحنی اسپکتروم امکان پذیر نخواهد بود. لذا می بایست از سایر مشخصات ارتعاشات مانند زاویه فاز برای تشخیص عیب استفاده کرد، چون علی رغم تشابه منحنی های اسپکتروم، الگوی زاویه فاز در مورد اشکالات مختلف، متمایز می باشد. به طور کلی برخی از کاربردهای زاویه فاز عبارتند از:

- تشخیص ترک در شفت
- بالانس دینامیکی
- تشخیص Resonance و سرعت بحرانی
- به دست آوردن شکل مودها
- تشخیص نامیزانی جرمی، Misalignment و شفت خمیده از یکدیگر
- و ...
12-6- عیب یابی به کمک آنالیز فرکانسی

همانطور که در بخشهای قبلی بیان شد، عیوب مختلفی که برای ماشین آلات دوار رخ می دهند، هرکدام همراه با رفتار دینامیکی خاص خود و به تعبیر دیگر با مشخصه های ارتعاشی ویژه ای رخ می دهد. یکی از مشخصه های مهم ارتعاش، فرکانس ارتعاشی است و به ویژه ارتباط آن با فرکانس کاری ماشین (دور ماشین) در بسیاری از موارد تعیین کننده نوع عیب و یا حداقل ناحیه آن می باشد.

دقت کنید که معمولاً ارتعاشات اندازه گیری شده از روی ماشین، یک سیگنال پیچیده و ترکیبی از چندین سیگنال ارتعاشی با فرکانسهای مختلف است. آنالیز فرکانسی که به آن آنالیز FFT یا اسپکتروم 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. همانطور که گفته شد، در بسیاری از عیوب، فرکانس ارتعاشات ایجاد شده با دور ماشین ارتباط دارد و در واقع هارمونیکها و یا به عبارت دیگر مضارب صحیحی از دور ماشین در منحنی FFT دیده می شود. این مضارب را به شکل 1xRPM، 2xRPM، 3xRPM و . . . نشان می دهند.
جداول زیادی وجود دارد که مشخصات فرکانسی عیوب رایج را بیان نموده که یک نمونه ساده شده از این جداول را در جدول می بینید. ردیف اول نوع عیب، ردیف دوم فرکانسهای مربوطه و ردیف سوم جهتی که ارتعاشات در آن بالاتر است را نشان می دهد.

نوع عیب فرکانس عیب و ارتباط آن با دور ماشین جهت غالب و رفتار دامنه ارتعاشات نامیزانی جرمی (Unbalance) 1 x RPM شعاعی – ارتعاشات با دامنه ثابت شفت خمیده 1 x RPM (and 2 x RPM) ارتعاشات بالا در جهت محوری خرابی Bearingهای غلتشی (Rolling Element Bearing) فرکانسهای چهارگانه Bearingهای غلتشی اثر نامحسوس بر روی دامنه کلی ارتعاش سایش Bearingهای لغزشی (Journal Bearing) 1 x RPM شعاعی ناهمراستایی کوپلینگ (Misalignment) 1~3 x RPM ارتعاش Radial بالا برای نا هم محوری offset و ارتعاشات Axial بالا برای ناهم محوری Angular خرابی تسمه 1~3 x Belt RPM ارتعاشات بالا در جهت اتصال مرکز دو پولی Oil Whirl 0.42~0.48 x RPM ارتعاشات ناپایدار در جهت شعاعی اشکالات چرخ دنده ها فرکانس درگیری چرخ دنده ها (GMF) با توجه به جهت بار غالب چرخ دنده (شعاعی یا محوری) تعیین می شود. لقی مکانیکی ساختاری 1 x RPM تشدید یا Resonance فرکانسهای خاص هر سیستم ارتعاشات با دامنه بسیار بالا