Analiza fazy: ułatwianie analizy drgań

Analiza drgań to głównie wyuczona umiejętność. Opiera się w 70 procentach na doświadczeniu, a w 30 procentach na szkoleniu w klasie i samodzielnej nauce. Potrzeba lat, aby stać się pewnym siebie i kompetentnym analitykiem drgań. Gdy analiza jest błędna, zalecenia dotyczące naprawy również będą nieprawidłowe. Żaden analityk wibracji nie chce podjąć złej decyzji. W tym biznesie wiarygodność zyskuje się małymi krokami, a traci w dużych kawałkach.

czujnik drgań umieszczony na obudowie łożyska i połączony z analizatorem drgań dostarcza informacji o czasie, częstotliwości i amplitudzie w postaci kształtu fali i widma (Rysunek 1). Dane te są podstawą analizy drgań. Zawiera sygnatury prawie wszystkich wad mechanicznych i elektrycznych obecnych na maszynie.

Rysunek 1. Przebieg drgań i widmo

proces analizy drgań obejmuje określenie nasilenia drgań, identyfikację częstotliwości i wzorców, powiązanie szczytów i wzorców z elementami mechanicznymi lub elektrycznymi, formułowanie wniosków i, jeśli to konieczne, wydawanie zaleceń dotyczących naprawy.

każdy zaangażowany w analizę drgań wie, że analiza drgań nie jest łatwa ani zautomatyzowana. Zastanawiałeś się kiedyś dlaczego? Oto kilka powodów:

1) maszyny mają wiele usterek: Wzorce wibracji, których uczymy się na treningu i o których czytamy w książkach, nie wyglądają tak samo w prawdziwym świecie. Dowiadujemy się, jak usterki mechaniczne i elektryczne wyglądają w najczystszej postaci – tak jakby zawsze był tylko jeden problem na maszynie powodujący wibracje. Maszyny zwykle mają więcej niż jedną usterkę powodującą wibracje. Co najmniej wszystkie maszyny mają pewną niewyważenie i niewspółosiowość. Gdy rozwijają się inne usterki, kształt fali i widmo szybko stają się skomplikowane i trudne do analizy. Dane nie pasują już do wzorców błędów, których się nauczyliśmy.

2) wibracje przyczyny i skutku: dla każdego działania występuje reakcja. Niektóre drgania, które mierzymy, są efektem innych problemów. Na przykład siła spowodowana niewyważeniem wirnika może sprawić, że maszyna będzie wyglądać jakby nie była wyrównana, luźna lub ocierana. Rozważ wszystkie rzeczy, które trzęsą się i grzechotają w samochodzie, gdy jedna opona traci równowagę.

3) Wiele Typów Usterek Ma Podobne Wzorce: Ponieważ wirniki maszyn obracają się z określoną prędkością, a wibracje są siłą cykliczną, wiele usterek mechanicznych i elektrycznych wykazuje podobne wzorce częstotliwości, które utrudniają odróżnienie jednego błędu od drugiego.

Nauka analizy wibracji wymaga czasu. Dostępne są kursy szkoleniowe, publikacje techniczne i inne zasoby, takie jak zasoby online i komercyjne materiały do samodzielnego nauczania, które mogą poprawić umiejętności analityczne i skrócić krzywą uczenia się.

istnieje jedna technika diagnostyczna, która szybko dociera do źródła większości problemów z wibracjami. Jest to prawdopodobnie najpotężniejsza ze wszystkich technik diagnostycznych wibracji. Istnieje tak długo, jak sama analiza wibracji nie zyskała wiele uwagi i rzadko można znaleźć dobre informacje na ten temat. Co to za Technika? To się nazywa analiza fazowa.

Co To jest faza?
Faza to pozycja obracającej się części w dowolnej chwili w odniesieniu do ustalonego punktu. Faza daje nam kierunek wibracji. Strojenie silnika samochodu za pomocą światła rozrządu i czujnika indukcyjnego jest zastosowaniem analizy fazowej (Rys. 2).

Rysunek 2. Strojenie silnika za pomocą światła rozrządu jest analizą fazy.

badanie fazowe to zbiór pomiarów fazowych wykonanych na maszynie lub konstrukcji i ocenianych w celu ujawnienia informacji o względnym ruchu między komponentami. W analizie drgań faza jest mierzona przy użyciu technik bezwzględnych lub względnych.

fazę absolutną mierzy się za pomocą jednego czujnika i jednego obrotomierza, wskazując znak na obracającym się wale (Rysunek 3). W każdym punkcie pomiarowym analizator oblicza czas między wyzwalaczem obrotomierza a kolejnymi dodatnimi drganiami szczytowymi. Ten przedział czasowy jest przeliczany na stopnie i wyświetlany jako faza absolutna (Rysunek 4). Faza może być mierzona z częstotliwością obrotową wału lub dowolną liczbą całkowitą wielokrotnością prędkości wału (częstotliwości synchroniczne). Do wyważania wirnika wymagana jest faza absolutna.

Rysunek 3. Pomiar fazy absolutnej

Faza względna jest mierzona na wielokanałowym analizatorze drgań przy użyciu dwóch lub więcej (podobnego typu) czujników drgań. Analizator musi być w stanie zmierzyć fazę międzykanałową. Jeden czujnik jednoosiowy służy jako stały punkt odniesienia i jest umieszczony gdzieś na maszynie (zazwyczaj na obudowie łożyska). Inny czujnik jednoosiowy lub trójosiowy jest przesuwany kolejno do wszystkich pozostałych punktów badania (Rysunek 5). W każdym punkcie testowym analizator porównuje przebiegi między czujnikami stałymi i rowingowymi. Faza względna to różnica czasu między przebiegami o określonej częstotliwości przeliczonej na stopnie (Rysunek 6). Faza względna nie wymaga obrotomierza, więc faza może być mierzona z dowolną częstotliwością.

Rysunek 5. Względny Pomiar Fazy

Rysunek 6. Względna Faza obliczona pomiędzy dwoma przebiegami drgań

oba rodzaje pomiarów fazowych są łatwe do wykonania. Faza względna jest najwygodniejszym sposobem pomiaru fazy na maszynie, ponieważ maszyna nie musi być zatrzymywana, aby zainstalować taśmę odblaskową na wale. Fazę można mierzyć z dowolną częstotliwością. Większość jednokanałowych analizatorów drgań może mierzyć fazę absolutną. Wielokanałowe analizatory drgań, takie jak Pruftechnik VibXpert pokazane na rysunku 7, posiadają standardowe funkcje pomiaru zarówno fazy absolutnej, jak i względnej.

Rysunek 7. Pruftechnik Vibxpert 2-kanałowy Analizator drgań

kiedy stosować analizę fazową
każdy potrzebuje analizy fazowej. Badanie fazowe powinno być wykonane na maszynach problemowych, gdy źródło drgań nie jest jasne lub gdy konieczne jest potwierdzenie podejrzewanych źródeł drgań. Badanie fazowe może obejmować punkty mierzone tylko na łożyskach maszyny lub może obejmować punkty na całej maszynie od fundamentu do łożysk. Poniżej przedstawiono przykłady tego, jak faza może pomóc w analizie drgań.

Miękka Stopa
termin miękka stopa jest używany do opisu zniekształceń ramy maszyny. Może to być spowodowane przez stan, w którym stopa silnika, pompy lub innego elementu nie jest płaska, kwadratowa i szczelna do jego montażu lub wiele innych rzeczy, takich jak błędy obróbki, wygięte lub skręcone stopy i nie płaskie powierzchnie montażowe. Miękka stopa zwiększa wibracje i powoduje nadmierne obciążenie łożysk, uszczelnień i sprzęgieł. Miękka stopa na silniku zniekształca obudowę stojana, tworząc niejednorodną szczelinę powietrzną wirnika do stojana, powodując wibracje przy dwukrotnej częstotliwości liniowej.

dobry laserowy system osiowania wałów powinien być używany do weryfikacji miękkiej stopy poprzez poluzowanie stóp maszyny pojedynczo.

Faza może być używana do identyfikacji miękkiej stopy podczas pracy maszyny. Zmierz pionową fazę między stopą a jej powierzchnią montażową. Jeśli połączenie jest szczelne, kąt fazy jest taki sam między powierzchniami. Jeśli kąt fazowy różni się o więcej niż 20 stopni, stopa jest luźna lub rama maszyny jest pęknięta lub słaba. Rysunek 8 jest przykładem przesunięcia fazowego na miękkiej stopie.

Rysunek 8. Przesunięcie fazowe między stopą a mocowaniem może wskazywać na miękką stopę.

łożyska zębate i gięte Wały
Faza służy do wykrywania łożysk zębatych i giętych wałów. Zmierz fazę w czterech osiowych miejscach wokół oprawy łożyska. Jeśli łożysko jest zablokowane lub wał jest wygięty przez łożysko, faza będzie inna w każdym miejscu. Jeśli wał jest prosty, a łożysko nie skręca się, faza będzie taka sama w każdym miejscu (Rysunek 9).

Rysunek 9. Faza identyfikuje w płaszczyźnie lub skręcanie ruchu łożyska.

Potwierdź brak równowagi
drgania promieniowe raz na obrót zwykle oznaczają niewyważenie wirnika. Użyj fazy, aby udowodnić, że problem jest nierównowaga. Aby potwierdzić brak równowagi, zmierz fazę poziomą i pionową na wale lub obudowie łożyska. Jeśli różnica między wartościami fazowymi wynosi około 90 stopni, problemem jest niewyważenie wirnika (rys. 10). Jeśli różnica faz jest bliżej zera lub 180 stopni, wibracje są spowodowane siłą reakcji. Mimośrodowe koło pasowe i niewspółosiowość wału są przykładami sił reakcji.

Rysunek 10. Przesunięcie fazowe poziome do pionowego o około 90 stopni potwierdza niewyważenie

luźność, zginanie lub skręcanie
Faza służy do wykrywania luźnych połączeń na konstrukcjach i zginania lub skręcania z powodu osłabienia lub rezonansu. Aby sprawdzić luz, zmierz fazę pionową przy każdym złączu mechanicznym, jak pokazano strzałkami na fig.11. Gdy stawy są luźne, nastąpi przesunięcie fazowe o około 180 stopni. Kąt fazy nie zmieni się w ciasnym spoinie.

Rysunek 11. Przesunięcie fazowe między złączami śrubowymi wskazuje na luz.

niewspółosiowość wału
niewspółosiowość wału można łatwo zweryfikować za pomocą fazy. Zmierz Każde łożysko w kierunku poziomym, pionowym i osiowym. Zapisz wartości w tabeli lub diagramie bąbelków, jak pokazano na rysunku 12. Porównaj fazę poziomą od łożyska do łożyska na każdym elemencie i w poprzek sprzęgła. Powtórz porównanie za pomocą danych pionowych, a następnie osiowych. Dobre wyrównanie nie spowoduje znacznego przesunięcia fazowego między łożyskami lub w poprzek sprzęgła. Maszyna na fig.12 ma przesunięcie fazowe o 180 stopni w poprzek sprzęgła w kierunkach promieniowych. Kierunki osiowe są w fazie na całej maszynie. Dane wskazują równoległą (przesunięcie) niewspółosiowość wału.

Rysunek 12. Dane fazowe wskazują niewspółosiowość wału równoległego

kształty ugięcia roboczego
zamiast porównywać liczby faz i wielkości z tabeli lub diagramu pęcherzyków, można użyć oprogramowania ODS (operational deflection shape software) do animowania rysunku maszynowego. ODS jest techniką pomiarową stosowaną do analizy ruchu wirujących urządzeń i konstrukcji podczas normalnej pracy. ODS jest rozszerzeniem analizy fazowej, w której generowany komputerowo model maszyny jest animowany za pomocą danych faz i wielkości lub jednocześnie zmierzonych przebiegów czasowych. Animacja jest wizualnie analizowana w celu zdiagnozowania problemów. Testowanie ODS jest w stanie zidentyfikować szeroką gamę usterek mechanicznych i problemów rezonansowych, takich jak Luz, miękka stopa, złamane spoiny, niewspółosiowość, niewyważenie, zginanie lub skręcanie z rezonansu, osłabienie strukturalne i problemy z fundamentem.

rysunek 13 to prosty ODS trzech wałów sprzężonych bezpośrednio. Fazę i wielkość mierzono na podstawie zamontowanych na stałe sond przemieszczeń X i Y na generatorze turbinowym. Wartości wymienione w tabeli zostały użyte w oprogramowaniu ODS do animowania rysunku kija wałów turbin wysokiego i niskiego ciśnienia oraz wału generatora. Obraz po prawej stronie stołu to uchwyt z animacji ODS pokazującej wzór drgań każdego wału i względny ruch między wałami z prędkością 3600 cykli na minutę (prędkość skrętu).

rysunek 13. Kształt ugięcia roboczego wału

wiele maszyn wibruje z powodu pogorszenia fundamentów, luzów, rezonansu konstrukcji nośnej i innych problemów występujących poniżej łożysk maszyny. Badanie fazowe może obejmować setki punktów testowych mierzonych na całej maszynie i fundamencie. Dobre oprogramowanie ODS może ułatwić analizę danych fazy i wielkości z dużej liczby punktów testowych. Analiza ODS polega na obserwacji i interpretacji maszyny W ruchu. Rysunek 14 przedstawia rysunek struktury ODS pompy pionowej.

Rysunek 14. Pionowy kształt ugięcia roboczego pompy rysunek struktury

wniosek
testowanie drgań oparte na warunkach jest istotnym elementem programu konserwacji opartego na niezawodności. Czujniki drgań, instrumenty i oprogramowanie są w stanie dostarczyć kluczowych informacji na temat stanu maszyn. Słabym ogniwem łańcucha jest zdolność analityka do interpretacji danych, dokładnego diagnozowania problemu i trendowania usterki, dopóki nie nadejdzie czas, aby zalecić działania naprawcze. Analiza fazy jest bardzo potężnym narzędziem diagnostycznym. Każdy analityk drgań powinien stosować fazę, aby poprawić dokładność analizy drgań.

o autorze:
Tony DeMatteo jest analitykiem drgań i instruktorem szkoleń technicznych z 4X Diagnostics LLC, firmą usługowo-szkoleniową świadczącą usługi doradcze, mentoringowe i szkoleniowe w zakresie pomiarów diagnostycznych, analiz, testowania kształtu ugięcia operacyjnego i analizy modalnej. Tel. 585-293-3234 lub www.4xdiagnostics.com.