Perusteet ja teknologia

Harmoninen värähtely voidaan kuvata matemaattisesti sinifunktion avulla. Tässä on joitakin värähtelyyn vaikuttavia muuttujia:

Jaksonaika T on aika, joka tarvitaan täyden syklin suorittamiseen. Jaksonajan käänteisarvoa kutsutaan taajuudeksi (f = 1/T). Jos moottorin nopeus on 3 000 kierrosta minuutissa, pyöriminen toistuu 20 ms välein (jaksonaika T), mikä vastaa 50 Hz taajuutta.

Amplitudi A tarkoittaa oskillaation suurinta siirtymää tasapainoasennosta. Amplitudin yhteydessä voidaan käyttää erilaisia käsitteitä. Klassisen huippuarvon (= amplitudi, huippuarvo) lisäksi tehollisarvo (= RMS-arvo) ja värähtelyamplitudi (= 2x amplitudi, peak-to-peak) ovat kaksi yleistä tunnuslukua.

Vaihe viittaa jaksollisen ilmiön aikasiirtymään, esim. sinikäyrän ajalliseen siirtymään vertailupisteestä (esim. kulma-anturin pulssi). Meidän tapauksessamme vaihe on tärkeä tunnusluku pyörivän järjestelmän tasapainottamisessa vastapainon paikan määrittämiseksi.

Käytännössä useat eri harmoniset värähtelyt limittyvät, minkä vuoksi yksittäisiä sinifunktioita ei yleensä enää voi identifioida aikasignaalissa.

Aikataso

Kun värähtelyä analysoidaan aikatasossa, monimutkainen limittynyt värähtelysignaali piirretään aika-akselille. Aikasignaalissa esiintyvien hallitsevien transienttisignaalien tai -kuvioiden perusteella voidaan tehdä johtopäätöksiä vauriosta.
Esimerkiksi varhaisessa vaiheessa oleva laakerivaurio aiheuttaa aikasignaaliin neulamaisia, jaksollisia amplitudeja.

RMS (tehollisarvo) ja Peak (huippuarvo) ovat yleisiä aikatasossa käytettäviä kuntoparametreja.
Värähtelyvalvonnassa käytetään värähtelynopeuden tehollisarvoa (v-RMS) esimerkiksi epätasapainon, kohdistusvirheen ja löystymisen identifiointiin, kun taas värähtelykiihtyvyyden tehollisarvoa (a-RMS) käytetään vaihteistojen tai laakereiden lisääntyneen kitkan tai riittämättömän voitelun tunnistamiseen.
Huippuarvojen yleinen mittari on värähtelykiihtyvyyden huippuarvo a-peak, joka edustaa transienttitapahtumia, esimerkiksi seurauksena laakerivauriosta tai koneen äkillisestä törmäyksestä.

Taajuustaso

Kun värähtelyä analysoidaan taajuustasossa, monimutkainen limittynyt aikasignaali puretaan sen eri taajuuskomponentteihin ja amplitudeihin nopean Fourier-muunnoksen (FFT) avulla. Näin dominantit taajuudet, kuten värähtely-yhdistelmään sisältyvä epätasapainotaajuus, voidaan tunnistaa nopeasti ja selkeästi.

FFT-muunnoksen erityismuoto on verhokäyräspektri (= H-FFT), jossa järjestelmän ominaistaajuutta stimuloivat jaksolliset iskuimpulssit (esim. vierintälaakerivauriot) demoduloidaan ja esisuodatetaan vastaavasti. H-FFT-analyysin etuna on etenkin vierintälaakereiden tai monimutkaisten konekinematiikkojen (esim. vaihteistot) yhteydessä se, että vaurioituneen osan aiheuttamat toistuvat iskupulssitaajuudet voidaan tunnistaa selvästi.

Laajakaistamittaus

Laajakaistamittaukset tallentavat ja analysoivat signaalin koko taajuusalueen kaikki taajuuskomponentit mukaan lukien. Mittaukset suoritetaan laajalla taajuusalueella (esim. 2...1 000 Hz), ja kuntoparametrit (kuten värähtelynopeuden tehollisarvo v-RMS) lasketaan siitä ja lähetetään reaaliajassa kunnonvalvontaa varten.

Kapeakaistamittaus

Kapeakaistamittaukset tehdään vain kapealla taajuusalueella tai tietyillä taajuuksilla kokonaisspektrin sisällä. Niitä käytetään usein silloin, kun ollaan erityisen kiinnostuneita tietystä taajuuskomponentista (esim. vierintälaakerin laakeritaajuudet) tai tietystä taajuusalueesta.

Värähtelysiirtymä d

Värähtelysiirtymä on todellinen etäisyys, jonka mittauspiste siirtyy pois alkuperäisestä staattisesta asemastaan. Parametrin avulla voidaan tunnistaa sykliset liikkeet sovelluksessa, kuten kuljettimen liike tai tärykuljettimen vaimennuselementtien tila. Värähtelysiirtymä rekisteröidään tyypillisesti alle 500 Hz taajuusalueella.

Värähtelynopeus v

Värähtelynopeus, erityisesti RMS-arvo, on hyvä koneeseen vaikuttavan energian indikaattori. Erityisesti epätasapaino, löystyminen, kohdistusvirhe tai hihnaongelmat voivat johtaa v-RMS-arvon kasvuun. Näiden sovellusten taajuusalue on tyypillisesti 2...1 000 Hz (standardin ISO 10816-3 tai ISO 20816-3 mukaan).

Värähtelykiihtyvyys a

Laajakaistan korkeataajuiset ominaisarvot, kuten a-peak tai a-RMS, ovat laakerivaurioiden, hankauksen, kitkan tai kavitaation vakiintuneita indikaattoreita. Erityisesti vaurion alkuvaiheessa ISO 20816 -standardin taajuusalue ei kata korkeataajuisia kiihtyvyyshuippuja. Tämä tekee värähtelykiihtyvyydestä erityisen hyödyllisen ennakkovaroitusindikaattorin lyhyille transientti-iskupulsseille, joita alkavat laakerivauriot tai hammaspyörien hammasviat aiheuttavat.

Crest-kerroin

Crest-kerroin on erityinen parametri värähtelykiihtyvyysmittauksissa. Se lasketaan jakamalla huippuarvo RMS-arvolla:
Crest = a−peak / a−RMS

Crest-kerroin on hyödyllinen laakerivaurioiden arvioinnissa. Jaksoittain kuoppakohdan läpi kulkevat vierintäelementit aiheuttavat lyhyitä värähtelyiskuja erityisesti laakerivaurion alkuvaiheissa. Nämä iskupulssit johtavat a-peak-arvon kasvuun. Tässä vaiheessa a-RMS-arvo pysyy kuitenkin suhteellisen pienenä. Vaurion edetessä häiriöiden esiintymistiheys ja iskupulssien voimakkuus lisääntyvät, mikä johtaa a-RMS-arvon kasvuun. Erityisesti tässä alkuvaiheessa, kun a-peak-arvo on suuri ja a-RMS-arvo pieni, crest-kerroin on hyödyllinen lisäindikaattori laakerivaurion tunnistamiselle varhaisessa vaiheessa, sillä crest-kertoimen täytyy myös olla suuri tässä vaiheessa ja sen pienenee vähitellen a-RMS-arvojen kasvaessa.

Yksiakselinen vs. moniakselinen mittaus

Useimmissa sovelluksissa riittää yksiakselinen värähtelymittaus, koska värähtely tapahtuu pääasiallisesti säteittäin akseliin nähden.
3-akseliset mittaukset voivat kuitenkin tarjota ratkaisevia etuja toiminnan, joustavuuden ja kustannusten kannalta.

Kinematiikasta ja koneen rakenteesta riippuen esimerkiksi koneen jäykkyys voi olla intensiteetiltään ja ominaisuuksiltaan erilainen aksiaali-, horisontaali- tai vertikaalisuunnissa. 3-akseliset mittaukset tuovat asennukseen joustavuutta ja tallentavat kaikki kolme avaruudellista suuntaa kohdennetusti ja ottavat siten huomioon erilaiset värähtelyärsykkeet.
Lisäksi tietyt konegeometriat ja vikamallit vaikuttavat merkittävästi vaurioiden kehittymissuuntaan. Esimerkiksi akselien kohdistusvirheet voivat olla dominoivia aksiaali- tai radiaalisuunnassa, tai epätasapainolla/iskuilla voi olla erilaisia hallitsevia suuntia tietyillä konegeometrioilla.

Ominaistaajuus on kokonaisjärjestelmän tietty taajuus, joka saa järjestelmän värähtelemään korkeilla amplitudeilla jo pienestäkin herätteestä. Resonanssi syntyy, kun herätetaajuus tai sen kerrannainen on sama kuin järjestelmän ominaistaajuus.

Kokonaisjärjestelmällä on useita ominaistaajuuksia, mikä tarkoittaa, että heräte voi aiheuttaa useita resonansseja. Esimerkiksi sähkömoottorista ja tärinäanturista koostuvalla kokonaisjärjestelmällä on eri ominaistaajuudet, joten anturin kiihtyvyyssignaali voi sisältää moottorin resonanssin lisäksi myös sen oman resonanssin.
Järjestelmän ominaistaajuus määräytyy sen massan ja jäykkyyden mukaan. Järjestelmän vaimennus määrittää herätteen vahvistumisen ominaistaajuudella.