Basis en technologie

Een harmonische trilling kan worden beschreven met een sinusfunctie. Er zijn hierbij verschillende variabelen die relevant zijn voor het karakteriseren van de trilling:

Periode T staat voor het tijdsinterval waarna een proces zich volledig heeft herhaald. Het omgekeerde van een periode wordt frequentie genoemd (f = 1/T). Bij een motortoerental van 3.000 toeren per minuut herhaalt de rotatie zich om de 20 ms (periode T), wat overeenkomt met een frequentie van 50 Hz.

Amplitude A beschrijft de maximale uitslag van een trilling vanuit de nulpositie. Hierbij zijn er verschillende termen die in verband met de amplitude kunnen worden gebruikt. Naast de klassieke piekwaarde (= amplitude, peak) zijn de effectieve waarde (= RMS-waarde) en de trillingsbreedte (= 2x amplitude, peak-peak) twee andere veel voorkomende termen.

Fase geeft de hoekverdraaiingsfunctie of de tijdsverschuiving van een periodiek proces, bijv. van een sinusfunctie ten opzichte van een referentie (bijvoorbeeld puls van een pulsgever). In ons geval is de fase een belangrijke parameter bij het uitbalanceren van een roterend systeem om de positionering van het contragewicht te bepalen.

In de praktijk overlappen veel verschillende harmonische trillingen, waardoor de afzonderlijke sinusfunctie meestal niet meer te herkennen zijn in het tijdssignaal.

Tijdsdomein

Bij de analyse in het tijdsdomein wordt het complexe gesuperponeerde trillingssignaal weergegeven en in de loop van de tijd geanalyseerd. Door het optreden van dominante, voorbijgaande signalen of patronen in het tijdssignaal kunnen conclusies worden getrokken over beschadigingen.
Lagerschade veroorzaakt bijvoorbeeld naaldachtige, periodieke amplitudes in het tijdssignaal.

In het tijdsdomein worden gewoonlijk karakteristieke conditiewaarden als effectieve waarde (RMS) of piekwaarde (Peak) gevormd.
Op het gebied van trillingsbewaking wordt bijvoorbeeld de effectieve waarde van de trillingssnelheid (v-RMS) voor onbalans, verkeerde uitlijning en losraken gebruikt en de effectieve waarde van de trillingsversnelling (a-RMS) voor wrijvingen of gebrekkige smering bij een tandwiel of lagers.
Een veel voorkomende karakteristieke waarde voor piekwaarden is de zogeheten piekwaarde van de trillingsversnelling (a-Peak); die voorbijgaande events als gevolg van bijvoorbeeld lagerschade of een plotselinge machinecrash laat zien.

Frequentiespectrum

Bij de analyse in het frequentiespectrum wordt het complexe gesuperponeerde tijdssignaal door middel van een Fast-Fourier-Transformation (=FFT) ontleed in zijn frequentiecomponenten en amplitudes. Daardoor zijn dominante frequenties, bijvoorbeeld de onbalansfrequentie, in het gemengde trillingsspectrum snel en ondubbelzinnig te herkennen.

Een bijzonder vorm van de FFT is het Envelope-spectrum-(= H-FFT). Hierbij worden de periodieke schokpulsen (bijvoorbeeld van een kogellagerschade) die de eigenfrequentie van het systeem activeren, dienovereenkomstig gedemoduleerd en vooraf gefilterd. De Envelope-analyse heeft vooral bij kogellagers of een complexe machine-kinematica (bijvoorbeeld overbrenging) het voordeel dat de optredende, terugkerende schokpulsfrequenties van het beschadigde onderdeel duidelijk te herkennen zijn.

Breedband meting

Bij een breedband meting wordt het gehele frequentiespectrum van een signaal, met alle frequentie harmonischen, geregistreerd en geanalyseerd. Daarbij worden metingen uitgevoerd over een breed frequentiespectrum (bijvoorbeeld 2…1.000 Hz) en worden daaruit karakteristieke conditieparameters (bijvoorbeeld effectieve waarde van de trillingsversnelling v-RMS) gevormd, die in realtime worden doorgegeven en een conditiemonitoring mogelijk maken.

Smalle bandmeting

Bij een smalle bandmeting concentreert de registratie zich op een smal frequentiespectrum respectievelijk afzonderlijke frequenties binnen het gehele spectrum. Smalle bandmetingen worden vaak gebruikt wanneer de interesse op een bepaalde frequentiecomponent (bijvoorbeeld de lagerfrequenties van een kogellager) of een bepaald frequentiebereik is gericht.

Trillingsverloop d

Trillingsverloop is het daadwerkelijke verloop van een meetpunt vanaf zijn nulpositie; zo kunnen cyclische bewegingen van een applicatie worden geregistreerd, bijv. transportbeweging of toestand van de dempingselementen van een triltransporteur. Normaal wordt het trillingsverloop in een frequentiebereik onder 500 Hz geregistreerd.

Trillingssnelheid v

De trillingssnelheid, met name de effectieve waarde, is een goede indicator voor de maat van de energie die op een machine inwerkt. Vooral onbalans, losrakingen, verkeerde uitlijningen of riemproblemen kunnen een stijging van de v-RMS tot gevolg hebben. Gewoonlijk bevinden deze applicaties zich in een frequentiebereik van 2…1.000 Hz (conform ISO 10816-3 resp. ISO 20816-3).

Trillingsversnelling a

Hoogfrequente, breedbandige karakteristieke waarden zoals de a-Peak of a-RMS zijn beproefde indicatoren voor lagerschade, slijtageprocessen, wrijvingen of zelfs cavitatie. De hoogfrequente versnellingspieken vallen niet onder het ISO 20816 frequentiebereik, vooral niet in de vroege stadia van schade. Daardoor is de trillingsversnelling een goede vroegtijdige waarschuwingsindicator voor de korte, voorbijkomende schokpulsen van dreigende lagerschade of van fouten in de tandwieloverbrenging.

Crest-factor

Een bijzonder kenmerk van de trillingsversnelling is de zogeheten Crest-factor; die wordt gedefinieerd als het quotiënt van de piekwaarde en de effectieve waarde:
Crest = a−Peak / a−RMS

De Crest-factor is een beproefde parameter bij de beoordeling van lagerschade. Vooral in het vroege stadium van lagerschade treden afzonderlijke schokpulsen op bij periodieke pitting (pitcorrosie) . De schokpulsen leiden tot een toename van de a-Peak. In deze fase blijft de a-RMS echter nog verhoudingsgewijs klein. Met het verergeren de beschadiging wordt de frequentie van pittings groter en neemt ook de intensiteit van de schokpulsen toe, wat weer een verhoging van de a-RMS tot gevolg heeft. Vooral in deze beginfase tussen hoge a-Peak- en lage a-RMS-waarde is de Crest-factor een nuttige aanvullende indicator om lagerschade vroegtijdig te identificeren, omdat in deze fase ook de Crest-factor hoog moet zijn en met stijgende a-RMS-waarden geleidelijk daalt.

Meting aan één as versus meting met meerdere assen

In de meeste toepassingen is een eenassige trillingsmeting voldoende, omdat de hoofdtrilling zich in de radiale richting ten opzichte van de as bevindt.
Een 3-assige meting kan echter doorslaggevende voordelen bieden op het gebied van functionaliteit, flexibiliteit en ook kosten.

Bijvoorbeeld kan de stijfheid van machines afhankelijk van kinematica en constructie, axiaal, horizontaal of verticaal een verschillende intensiteit of kenmerk hebben. Een 3-assige meting biedt flexibiliteit bij de montage en registreert alle drie dimensies en daarmee ook verschillende excitaties doeltreffend.
Bovendien hebben bepaalde machinegeometrieën en bepaalde foutpatronen een aanzienlijke invloed op de richting van de schadeontwikkeling. Bijvoorbeeld kan een verkeerde uitlijning van de as in axiale of radiale richting dominant zijn of kunnen onbalans / impact zich bij bepaalde machinegeometrieën ook in verschillende richtingen sterker ontwikkelen.

De eigenfrequentie is een specifieke frequentie van een compleet systeem die zelfs bij de kleinste excitaties al trillingen met grote amplitudes veroorzaakt. Als de excitatiefrequentie of een veelvoud dicht bij de natuurlijke frequentie van het systeem ligt, spreekt men van resonantie.

Een compleet systeem heeft meerdere eigenfrequenties, zodat door excitatie meervoudig resonantie kan worden opgewekt. Zo heeft een compleet systeem, bestaande uit een elektromotor en een trillingssensor, ook verschillende eigenfrequenties, waardoor het versnellingssignaal van de sensor de resonantie van de motor kan bevatten maar ook zijn eigen resonantie.
De eigenfrequentie van het systeem wordt gedefinieerd door de massa en stijfheid. Door de demping van een systeem wordt de versterking van de excitatie bij een eigenfrequentie bepaald.