Fasanalys: att göra vibrationsanalys lättare

vibrationsanalys är mestadels en lärd färdighet. Den bygger 70 procent på erfarenhet och 30 procent på klassrumsutbildning och självstudier. Det tar år att bli en säker och kompetent vibrationsanalytiker. När analysen är fel kommer rekommendationerna för reparation också att vara felaktiga. Ingen vibrationsanalytiker vill ringa fel samtal. I denna verksamhet uppnås trovärdighet i små steg och förloras i stora bitar.

en vibrationssensor placerad på ett lagerhus och ansluten till en vibrationsanalysator ger tid, frekvens och amplitudinformation i form av en vågform och ett spektrum (Figur 1). Dessa data är grunden för vibrationsanalys. Den innehåller signaturer av nästan alla mekaniska och elektriska defekter som finns på maskinen.

Figur 1. Vibrationsvågform och spektrum

vibrationsanalysprocessen innefattar att bestämma vibrationsgraden, identifiera frekvenser och mönster, associera toppar och mönster med mekaniska eller elektriska komponenter, bilda slutsatser och vid behov göra rekommendationer för reparation.

alla som är involverade i vibrationsanalys vet att analys av vibrationer inte är lätt eller automatiserad. Har du någonsin undrat varför? Här är några anledningar:

1) maskiner har flera fel: De vibrationsmönster vi lär oss i träning och läser om i böcker ser bara inte ut i den verkliga världen. Vi lär oss hur mekaniska och elektriska fel ser ut i renaste form-som om det alltid bara var det enda problemet på maskinen som orsakade vibrationer. Maskiner har vanligtvis mer än ett vibrationsproducerande fel. Åtminstone har alla maskiner viss obalans och felinriktning. När andra fel utvecklas blir vågformen och spektrumet snabbt komplicerade och svåra att analysera. Uppgifterna matchar inte längre de felmönster vi har lärt oss.

2) orsak och verkan Vibration: för varje åtgärd finns det en reaktion. En del av vibrationerna vi mäter är effekten av andra problem. Till exempel kan kraften som orsakas av rotorobalans få maskinen att se ut som om den är ur inriktning, lös eller gnidning. Tänk på alla saker som skakar och skramlar på din bil när ett däck går ur balans.

3) Många Feltyper Har Liknande Mönster: Eftersom maskinrotorer roterar med en viss hastighet och vibrationer är en cyklisk kraft uppvisar många mekaniska och elektriska fel liknande frekvensmönster som gör det svårt att skilja ett fel från ett annat.

att lära sig att analysera vibrationer tar bara tid. Kurser, tekniska publikationer och andra resurser som online-resurser och kommersiellt självlärande material finns tillgängliga som kan förbättra analysförmågan och förkorta inlärningskurvan.

det finns en diagnostisk teknik som snabbt kommer till källan till de flesta vibrationsproblem. Det är kanske den mest kraftfulla av alla vibrationsdiagnostiska tekniker. Det har funnits så länge som vibrationsanalysen själv ännu inte har fått mycket uppmärksamhet, och det är sällsynt att hitta bra information om ämnet. Vad är den här tekniken? Det kallas fasanalys.

Vad är fas?
fas är positionen för en roterande del när som helst med avseende på en fast punkt. Fas ger oss vibrationsriktningen. Att ställa in en bilmotor med hjälp av en tidsljus och Induktiv sensor är en tillämpning av fasanalys (Figur 2).

Figur 2. Motorinställning med hjälp av ett tidsljus är fasanalys.

en fasstudie är en samling fasmätningar gjorda på en maskin eller struktur och utvärderade för att avslöja information om relativ rörelse mellan komponenter. I vibrationsanalys mäts fas med absoluta eller relativa tekniker.

absolut fas mäts med en sensor och en varvräknare som refererar till ett märke på den roterande axeln (Figur 3). Vid varje mätpunkt beräknar analysatorn tiden mellan varvräknaren och nästa positiva vågforms toppvibration. Detta tidsintervall konverteras till grader och visas som den absoluta fasen (Figur 4). Fas kan mätas vid axelrotationsfrekvens eller någon heltal multipel av axelhastighet (synkrona frekvenser). Absolut fas krävs för rotorbalansering.

Figur 3. Absolut fasmätning

relativ fas mäts på en flerkanalig vibrationsanalysator med två eller flera (liknande typ) vibrationssensorer. Analysatorn måste kunna mäta kanalfas. En enaxlig sensor fungerar som den fasta referensen och placeras någonstans på maskinen (vanligtvis på ett lagerhus). En annan enaxlig eller triaxial sensor flyttas sekventiellt till alla andra testpunkter (Figur 5). Vid varje testpunkt jämför analysatorn vågformer mellan de fasta och roving sensorerna. Relativ fas är tidsskillnaden mellan vågformerna vid en specifik frekvens omvandlad till grader (Figur 6). Relativ fas kräver ingen varvräknare så fas kan mätas vid vilken frekvens som helst.

Figur 5. Relativ Fasmätning

Figur 6. Relativ fas Beräknad mellan två Vibrationsvågformer

båda typerna av fasmätningar är lätta att göra. Relativ fas är det bekvämaste sättet att mäta fas på en maskin eftersom maskinen inte behöver stoppas för att installera reflekterande tejp på axeln. Fas kan mätas vid vilken frekvens som helst. De flesta enkanals vibrationsanalysatorer kan mäta absolut fas. Flerkanaliga vibrationsanalysatorer som Pruftechnik VibXpert illustrerad i Figur 7 har standardfunktioner för mätning av både absolut och relativ fas.

Figur 7. Pruftechnik VibXpert 2-kanals Vibrationsanalysator

När ska man använda Fasanalys
alla behöver fasanalys. En fasstudie bör göras på problemmaskiner när vibrationskällan inte är klar eller när det är nödvändigt att bekräfta misstänkta vibrationskällor. En fasstudie kan innehålla punkter som endast mäts på maskinlagren eller det kan innehålla punkter över hela maskinen från grunden upp till lagren. Följande är exempel på hur fas kan hjälpa till att analysera vibrationer.

mjuk fot
termen mjuk fot används för att beskriva maskinramförvrängning. Det kan orsakas av ett tillstånd där foten på en motor, pump eller annan komponent inte är platt, kvadratisk och tätt mot dess montering, eller många andra saker, såsom bearbetningsfel, böjda eller vridna fötter och icke-plana monteringsytor. Mjuk fot ökar vibrationen och sätter onödig stress på lager, tätningar och kopplingar. Mjuk fot på en motor snedvrider statorhuset skapar en icke-enhetlig rotor till stator luftgap som resulterar i vibrationer vid två gånger linjefrekvens.

ett bra laseraxeljusteringssystem bör användas för att verifiera mjuk fot genom att lossa maskinfötterna en i taget.

fas kan användas för att identifiera mjuk fot medan maskinen är i drift. Mät vertikal fas mellan foten och dess monteringsyta. Om fogen är tät är fasvinkeln densamma mellan ytorna. Om fasvinkeln är annorlunda med mer än 20 grader är foten lös eller maskinramen är sprucken eller tunn. Figur 8 är ett exempel på fasförskjutningen över en mjuk fot.

figur 8. En fasförskjutning mellan foten och fästet kan indikera mjuk fot.

spänt lager och böjda axlar
fas används för att detektera spänt lager och böjda axlar. Mät fas på fyra axiella platser runt lagerhuset. Om lagret är spänt eller axeln böjs genom lagret kommer fasen att vara annorlunda på varje plats. Om axeln är rak och lagret inte vrids, kommer fasen att vara densamma på varje plats (Figur 9).

Figur 9. Fas identifierar I plan eller vridande lagerrörelse.

bekräfta obalans
en radiell vibration en gång per varv betyder vanligtvis rotorobalans. Använd fas för att bevisa obalans är problemet. För att bekräfta obalans, mät den horisontella och vertikala fasen på en axel eller lagerhus. Om skillnaden mellan fasvärdena är ungefär 90 grader är problemet rotorobalans (Figur 10). Om fasskillnaden är närmare noll eller 180 grader orsakas vibrationen av en reaktionskraft. En excentrisk remskiva och axelförskjutning är exempel på reaktionskrafter.

Figur 10. Horisontell till vertikal fasförskjutning på cirka 90 grader bekräftar obalans

löshet, böjning eller vridning
fas används för att upptäcka lösa leder på strukturer och böjning eller vridning på grund av svaghet eller resonans. För att kontrollera om det är löst, mät den vertikala fasen vid varje mekanisk Fog enligt pilarna i Figur 11. När lederna är lösa kommer det att ske en fasförskjutning på cirka 180 grader. Fasvinkeln ändras inte över en tät Fog.

Figur 11. En fasförskjutning mellan skruvförband indikerar löshet.

axelförskjutning
axelförskjutning verifieras enkelt med fas. Mät varje lager i horisontella, vertikala och axiella riktningar. Spela in värdena i en tabell eller bubbeldiagram som visas i Figur 12. Jämför den horisontella fasen från lager till lager på varje komponent och över kopplingen. Upprepa jämförelsen med vertikala och axiella data. God inriktning visar ingen väsentlig fasförskjutning mellan lager eller över kopplingen. Maskinen i Figur 12 har en 180 graders fasförskjutning över kopplingen i radiella riktningar. De axiella riktningarna är i fas över maskinen. Data indikerar parallell (offset) axelförskjutning.

Figur 12. Fasdata indikerar parallell axelförskjutning

operativa Avböjningsformer
istället för att jämföra fas-och magnitudnumren från ett bord eller bubbeldiagram kan operativ avböjningsform programvara (ODS) användas för att animera en maskinritning. En ODS är en mätteknik som används för att analysera rörelsen hos roterande utrustning och strukturer under normal drift. En ODS är en förlängning av fasanalys där en datorgenererad modell av maskinen animeras med fas-och magnituddata eller samtidigt uppmätta tidsvågformer. Animationen analyseras visuellt för att diagnostisera problem. ODS-testning kan identifiera en mängd olika mekaniska fel och resonansproblem som löshet, mjuk fot, trasiga svetsar, felinriktning, obalans, böjning eller vridning från resonans, strukturell svaghet och grundproblem.

figur 13 är en enkel ODS av tre direktkopplade axlar. Fas och storlek mättes från permanent monterade X-och Y-förskjutningsprober på en turbingenerator. Värdena som anges i tabellen användes i ODS programvara för att animera en streckfigur ritning av hög – och lågtrycksturbinaxlar och generatoraxeln. Bilden till höger om bordet är en fångst från ODS-animationen som visar vibrationsmönstret för varje axel och den relativa rörelsen mellan axlarna vid 3 600 cykler per minut (vridhastighet).

figur 13. Axeloperativ Avböjningsform

många maskiner vibrerar på grund av försämrade fundament, löshet, resonans av stödstrukturen och andra problem som uppstår under maskinlagren. En fasstudie kan innehålla hundratals testpunkter uppmätta över hela maskinen och fundamentet. Bra ODS-programvara kan göra det lättare att analysera fas-och magnituddata från ett stort antal testpunkter. Analys av en ODS innebär observation och tolkning av maskinen i rörelse. Figur 14 är en ODS-strukturritning av en vertikal pump.

figur 14. Vertical Pump Operational Deflection Shape Structure Drawing

slutsats
tillståndsbaserad vibrationstestning är en viktig del av ett tillförlitlighetsbaserat underhållsprogram. Vibrationssensorer, instrument och programvara kan ge viktig information om maskinhälsa. Den svaga länken i kedjan är analytikerns förmåga att tolka data, korrekt diagnostisera problemet och trend felet tills det är dags att rekommendera korrigerande åtgärder. Fasanalys är ett mycket kraftfullt diagnostiskt verktyg. Varje vibrationsanalytiker bör använda fas för att förbättra vibrationsanalysens noggrannhet.

om författaren:
Tony Dematteo är en vibrationsanalytiker och teknisk träningsinstruktör med 4X Diagnostics LLC, ett service-och utbildningsföretag som tillhandahåller konsulttjänster, mentorskap och utbildning inom diagnostisk mätning, analys, operativ avböjningsformprovning och modalanalys. Han kan nås på 585-293-3234 eller www.4xdiagnostics.com.