Phasenanalyse: Schwingungsanalyse erleichtern

Schwingungsanalyse ist meist eine erlernte Fähigkeit. Es basiert zu 70 Prozent auf Erfahrung und zu 30 Prozent auf Präsenztraining und Selbststudium. Es dauert Jahre, um ein selbstbewusster und kompetenter Schwingungsanalytiker zu werden. Wenn die Analyse falsch ist, sind auch die Empfehlungen für die Reparatur falsch. Kein Vibrationsanalytiker möchte den falschen Anruf tätigen. In diesem Geschäft wird Glaubwürdigkeit in kleinen Schritten gewonnen und in großen Brocken verloren.

Ein Vibrationssensor, der auf einem Lagergehäuse platziert und mit einem Vibrationsanalysator verbunden ist, liefert Zeit-, Frequenz- und Amplitudeninformationen in Form einer Wellenform und eines Spektrums (Abbildung 1). Diese Daten bilden die Grundlage für die Schwingungsanalyse. Es enthält die Signaturen fast aller mechanischen und elektrischen Defekte an der Maschine.

Abbildung 1. Schwingungswellenform und -spektrum

Der Schwingungsanalyseprozess umfasst die Bestimmung der Schwingungsstärke, die Identifizierung von Frequenzen und Mustern, die Zuordnung der Peaks und Muster zu mechanischen oder elektrischen Komponenten, die Bildung von Schlussfolgerungen und gegebenenfalls die Abgabe von Empfehlungen zur Reparatur.

Jeder, der an Schwingungsanalysen beteiligt ist, weiß, dass die Schwingungsanalyse weder einfach noch automatisiert ist. Haben Sie sich jemals gefragt, warum? Hier sind ein paar gründe:

1) Maschinen Haben Mehrere Fehler: Die Vibrationsmuster, die wir im Training lernen und über die wir in Büchern lesen, sehen in der realen Welt einfach nicht gleich aus. Wir lernen, wie mechanische und elektrische Störungen in ihrer reinsten Form aussehen – als gäbe es immer nur das eine Problem an der Maschine, das Vibrationen verursacht. Maschinen haben in der Regel mehr als einen vibrationserzeugenden Fehler. Zumindest haben alle Maschinen eine gewisse Unwucht und Fehlausrichtung. Wenn sich andere Fehler entwickeln, werden die Wellenform und das Spektrum schnell kompliziert und schwer zu analysieren. Die Daten stimmen nicht mehr mit den Fehlermustern überein, die wir gelernt haben.

2) Ursache und Wirkung Vibration: Für jede Aktion gibt es eine Reaktion. Einige der Vibrationen, die wir messen, sind die Auswirkungen anderer Probleme. Zum Beispiel kann die Kraft, die durch Rotorunwucht verursacht wird, die Maschine so aussehen lassen, als wäre sie nicht ausgerichtet, locker oder reibend. Berücksichtigen Sie alle Dinge, die an Ihrem Auto schütteln und klappern, wenn ein Reifen aus dem Gleichgewicht gerät.

3) Viele Fehlertypen haben ähnliche Muster: Da sich Maschinenrotoren mit einer bestimmten Geschwindigkeit drehen und Vibrationen eine zyklische Kraft sind, weisen viele mechanische und elektrische Fehler ähnliche Frequenzmuster auf, die es schwierig machen, einen Fehler von einem anderen zu unterscheiden.

Lernen, Vibrationen zu analysieren, braucht nur Zeit. Schulungen, technische Veröffentlichungen und andere Ressourcen wie Online-Ressourcen und kommerzielles Selbstlernmaterial stehen zur Verfügung, um die Analysefähigkeiten zu verbessern und die Lernkurve zu verkürzen.

Es gibt eine Diagnosetechnik, die den meisten Vibrationsproblemen schnell auf den Grund geht. Es ist möglicherweise die leistungsstärkste aller schwingungsdiagnostischen Techniken. Es gibt sie schon so lange, wie die Schwingungsanalyse selbst noch nicht viel Aufmerksamkeit erregt hat, und es ist selten, gute Informationen über das Thema zu finden. Was ist diese Technik? Das nennt man Phasenanalyse.

Was ist Phase?
Phase ist die Position eines rotierenden Teils zu einem beliebigen Zeitpunkt in Bezug auf einen festen Punkt. Phase gibt uns die Schwingungsrichtung. Die Abstimmung eines Automotors mit einem Timing-Licht und einem induktiven Sensor ist eine Anwendung der Phasenanalyse (Abbildung 2).

Abbildung 2. Motortuning mit einem Timing-Licht ist Phasenanalyse.

Eine Phasenstudie ist eine Sammlung von Phasenmessungen, die an einer Maschine oder Struktur durchgeführt und ausgewertet werden, um Informationen über die Relativbewegung zwischen Komponenten zu erhalten. In der Schwingungsanalyse wird die Phase mit absoluten oder relativen Techniken gemessen.

Die absolute Phase wird mit einem Sensor und einem Drehzahlmesser gemessen, die sich auf eine Markierung auf der rotierenden Welle beziehen (Abbildung 3). An jedem Messpunkt berechnet der Analysator die Zeit zwischen dem Drehzahlmesser-Trigger und der nächsten positiven Wellenform-Spitzenvibration. Dieses Zeitintervall wird in Grad umgerechnet und als absolute Phase angezeigt (Abbildung 4). Die Phase kann bei der Wellendrehfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen der Wellendrehzahl (Synchronfrequenzen) gemessen werden. Für den Rotorausgleich ist eine absolute Phase erforderlich.

Abbildung 3. Absolutphasenmessung

Die relative Phase wird mit einem Mehrkanal-Vibrationsanalysator unter Verwendung von zwei oder mehr (ähnlichen) Vibrationssensoren gemessen. Der Analysator muss in der Lage sein, die kanalübergreifende Phase zu messen. Ein einachsiger Sensor dient als feste Referenz und wird irgendwo an der Maschine platziert (typischerweise an einem Lagergehäuse). Ein weiterer einachsiger oder dreiachsiger Sensor wird sequentiell zu allen anderen Testpunkten bewegt (Abbildung 5). An jedem Testpunkt vergleicht der Analysator die Wellenformen zwischen den festen und den Roving-Sensoren. Die relative Phase ist die Zeitdifferenz zwischen den Wellenformen bei einer bestimmten Frequenz, die in Grad konvertiert wird (Abbildung 6). Die relative Phase erfordert keinen Drehzahlmesser, sodass die Phase bei jeder Frequenz gemessen werden kann.

Abbildung 5. Relative Phasenmessung

Abbildung 6. Relative Phase berechnet zwischen zwei Schwingungswellenformen

Beide Arten von Phasenmessungen sind einfach durchzuführen. Relative Phase ist die bequemste Weise, Phase auf einer Maschine zu messen, weil die Maschine nicht gestoppt werden muss, um reflektierendes Band auf die Welle zu installieren. Phase kann bei jeder Frequenz gemessen werden. Die meisten Einkanal-Schwingungsanalysatoren können die absolute Phase messen. Mehrkanal-Schwingungsanalysatoren wie der in Bild 7 dargestellte Prüftechnik VibXpert verfügen standardmäßig über Funktionen zur Messung der absoluten und relativen Phase.

Abbildung 7. Prüftechnik VibXpert 2-Kanal Vibrationsanalysator

Einsatz der Phasenanalyse
Jeder braucht eine Phasenanalyse. Bei problematischen Maschinen sollte eine Phasenuntersuchung durchgeführt werden, wenn die Vibrationsquelle nicht eindeutig ist oder wenn vermutete Vibrationsquellen bestätigt werden müssen. Eine Phasenstudie kann Punkte umfassen, die nur an den Maschinenlagern gemessen werden, oder sie kann Punkte über die gesamte Maschine vom Fundament bis zu den Lagern umfassen. Im Folgenden finden Sie Beispiele, wie Phase bei der Analyse von Vibrationen helfen kann.

Weicher Fuß
Der Begriff weicher Fuß wird verwendet, um die Verzerrung des Maschinenrahmens zu beschreiben. Es kann durch einen Zustand verursacht werden, in dem der Fuß eines Motors, einer Pumpe oder einer anderen Komponente nicht flach, quadratisch und dicht an seiner Montage ist, oder durch viele andere Dinge, wie Bearbeitungsfehler, verbogene oder verdrehte Füße und nicht flache Montageflächen. Der weiche Fuß erhöht die Vibrationen und belastet Lager, Dichtungen und Kupplungen übermäßig. Weicher Fuß auf einem Motor verzerrt das Statorgehäuse, wodurch ein ungleichmäßiger Rotor-Stator-Luftspalt entsteht, der zu Vibrationen mit der zweifachen Linienfrequenz führt.

Ein gutes Laserwellenausrichtungssystem sollte verwendet werden, um den weichen Fuß zu überprüfen, indem die Maschinenfüße einzeln gelöst werden.

Phase kann verwendet werden, um weichen Fuß zu identifizieren, während die Maschine in Betrieb ist. Messen vertikale phase zwischen die fuß und seine montage oberfläche. Wenn die Verbindung dicht ist, ist der Phasenwinkel zwischen den Oberflächen gleich. Wenn sich der Phasenwinkel um mehr als 20 Grad unterscheidet, ist der Fuß locker oder der Maschinenrahmen ist gerissen oder schwach. Abbildung 8 ist ein Beispiel für die Phasenverschiebung über einen weichen Fuß.

Abbildung 8. Eine Phasenverschiebung zwischen Fuß und Halterung kann auf einen weichen Fuß hinweisen.

Gespannte Lager und gebogene Wellen
Phase wird verwendet, um gespannte Lager und gebogene Wellen zu erkennen. Messen Sie die Phase an vier axialen Stellen um das Lagergehäuse herum. Wenn das Lager gespannt ist oder die Welle durch das Lager gebogen ist, ist die Phase an jeder Stelle unterschiedlich. Wenn die Welle gerade ist und sich das Lager nicht verdreht, ist die Phase an jeder Stelle gleich (Abbildung 9).

Abbildung 9. Phase identifiziert In-plane oder Verdrehen Lagerbewegung.

Rotorunwucht
Eine Radialschwingung einmal pro Umdrehung bedeutet normalerweise Rotorunwucht. Verwenden Sie die Phase, um zu beweisen, dass das Ungleichgewicht das Problem ist. Um die Unwucht zu bestätigen, messen Sie die horizontale und vertikale Phase an einer Welle oder einem Lagergehäuse. Wenn der Unterschied zwischen den Phasenwerten ungefähr 90 Grad beträgt, liegt das Problem in der Rotorunsymmetrie (Abbildung 10). Wenn die Phasendifferenz näher bei Null oder 180 Grad liegt, wird die Vibration durch eine Reaktionskraft verursacht. Eine Exzenterriemenscheibe und Wellenversatz sind Beispiele für Reaktionskräfte.

Abbildung 10. Horizontale zu Vertikale Phase Verschiebung von über 90 Grad Bestätigt Unwucht

Lockerheit, Biegen oder Verdrehen
Phase ist verwendet zu erkennen lose gelenke auf strukturen und biegen oder verdrehen aufgrund schwäche oder resonanz. Um die Lockerheit zu überprüfen, messen Sie die vertikale Phase an jedem mechanischen Gelenk, wie durch die Pfeile in Abbildung 11 angezeigt. Wenn Gelenke locker sind, gibt es eine Phasenverschiebung von ungefähr 180 Grad. Der Phasenwinkel ändert sich nicht über eine enge Verbindung.

Abbildung 11. Eine Phasenverschiebung zwischen Schraubverbindungen weist auf Lockerheit hin.

Wellenfehlausrichtung
Wellenfehlausrichtung lässt sich leicht mit phase verifizieren. Messen Sie jedes Lager in horizontaler, vertikaler und axialer Richtung. Notieren Sie die Werte in einer Tabelle oder einem Blasendiagramm, wie in Abbildung 12 gezeigt. Vergleichen Sie die horizontale Phase von Lager zu Lager an jeder Komponente und über die Kupplung hinweg. Wiederholen Sie den Vergleich mit vertikalen und dann axialen Daten. Eine gute Ausrichtung zeigt keine wesentliche Phasenverschiebung zwischen den Lagern oder über die Kupplung hinweg. Die Maschine in Abbildung 12 hat eine 180-Grad-Phasenverschiebung über die Kupplung in radialer Richtung. Die axialen Richtungen sind über die Maschine gleichphasig. Die Daten zeigen einen parallelen (versetzten) Wellenversatz an.

Abbildung 12. Phasendaten zeigen eine Fehlausrichtung der parallelen Welle an

Betriebsabweichungsformen
Anstatt die Phasen- und Betragszahlen aus einer Tabelle oder einem Blasendiagramm zu vergleichen, kann die Software für Betriebsabweichungsformen (ODS) zum Animieren einer Maschinenzeichnung verwendet werden. Ein ODS ist eine Messtechnik zur Analyse der Bewegung rotierender Geräte und Strukturen während des normalen Betriebs. Ein ODS ist eine Erweiterung der Phasenanalyse, bei der ein computergeneriertes Modell der Maschine mit Phasen- und Magnitudendaten oder gleichzeitig gemessenen Zeitwellenformen animiert wird. Die Animation wird visuell analysiert, um Probleme zu diagnostizieren. ODS-Tests sind in der Lage, eine Vielzahl von mechanischen Fehlern und Resonanzproblemen wie Lockerheit, weicher Fuß, gebrochene Schweißnähte, Fehlausrichtung, Unwucht, Biegen oder Verdrehen durch Resonanz, strukturelle Schwäche und Fundamentprobleme zu identifizieren.

Abbildung 13 ist ein einfaches ODS von drei direkt gekoppelten Wellen. Phase und Größe wurden von fest montierten X- und Y-Wegsonden an einem Turbinengenerator gemessen. Die in der Tabelle aufgeführten Werte wurden in der ODS-Software verwendet, um eine Strichmännchenzeichnung der Hoch- und Niederdruckturbinenwellen und der Generatorwelle zu animieren. Das Bild rechts neben der Tabelle ist eine Aufnahme aus der ODS-Animation, die das Schwingungsmuster jeder Welle und die Relativbewegung zwischen den Wellen bei 3.600 Zyklen pro Minute (Drehgeschwindigkeit) zeigt.

Abbildung 13. Wellenoperative Durchbiegungsform

Viele Maschinen vibrieren aufgrund von verschlechterten Fundamenten, Lockerheit, Resonanz der Tragstruktur und anderen Problemen, die unterhalb der Maschinenlager auftreten. Eine Phasenstudie kann Hunderte von Testpunkten umfassen, die über die gesamte Maschine und das Fundament gemessen wurden. Eine gute ODS-Software kann es einfacher machen, Phasen- und Magnitudendaten von einer großen Anzahl von Testpunkten zu analysieren. Die Analyse eines ODS beinhaltet die Beobachtung und Interpretation der Maschine in Bewegung. Abbildung 14 ist eine ODS-Strukturzeichnung einer vertikalen Pumpe.

Abbildung 14. Vertikale Pumpe Betriebs Ablenkung Form Struktur Zeichnung

Fazit
Zustand-basierend vibration prüfung ist eine wichtige komponente von eine zuverlässigkeit basierend wartung programm. Vibrationssensoren, Instrumente und Software können wichtige Informationen über den Maschinenzustand liefern. Das schwache Glied in der Kette ist die Fähigkeit des Analysten, die Daten zu interpretieren, das Problem genau zu diagnostizieren und den Fehler zu analysieren, bis es an der Zeit ist, Korrekturmaßnahmen zu empfehlen. Die Phasenanalyse ist ein sehr leistungsfähiges Diagnosewerkzeug. Jeder Schwingungsanalytiker sollte Phase verwenden, um die Genauigkeit der Schwingungsanalyse zu verbessern.

Über den Autor:
Tony DeMatteo ist Schwingungsanalyst und Ausbilder für technische Schulungen bei 4X Diagnostics LLC, einem Service- und Schulungsunternehmen, das Beratungsdienste, Mentoring und Schulungen in den Bereichen Diagnosemessung, Analyse, Prüfung der betrieblichen Durchbiegung und Modalanalyse anbietet. Er ist erreichbar unter 585-293-3234 oder www.4xdiagnostics.com.