Βασικές αρχές και τεχνολογία

Η αρμονική ταλάντωση μπορεί να περιγραφεί μαθηματικά με μία ημιτονοειδή συνάρτηση. Αυτές είναι μερικές από τις μεταβλητές που επηρεάζουν την ταλάντωση:

Η περίοδος T είναι ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση ενός πλήρους κύκλου. Το αντίστροφο της περιόδου ονομάζεται συχνότητα (f = 1/T). Με ταχύτητα κινητήρα 3.000 στροφών ανά λεπτό, η περιστροφή επαναλαμβάνεται κάθε 20 ms (περίοδος T) που αντιστοιχεί σε συχνότητα 50 Hz.

Το πλάτος A αναφέρεται στη μέγιστη μετατόπιση της ταλάντωσης από τη θέση ισορροπίας. Υπάρχουν διαφορετικές έννοιες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε σχέση με το πλάτος. Εκτός από την κλασική τιμή κορυφής (= πλάτος, κορυφή), δύο συνήθεις μετρήσεις είναι το ριζικό μέσο τετράγωνο (= τιμή RMS) και το πλάτος δόνησης (= 2x πλάτος, κορυφή-κορυφή).

Η φάση αναφέρεται στη χρονική μετατόπιση ενός περιοδικού φαινομένου, π.χ. ενός ημιτονοειδούς από ένα σημείο αναφοράς (π.χ. ο παλμός ενός κωδικοποιητή). Στην περίπτωσή μας, η φάση είναι μια σημαντική μέτρηση για την εξισορρόπηση ενός περιστρεφόμενου συστήματος ώστε να προσδιοριστεί η θέση του αντίβαρου.

Στην πράξη, πολλές διαφορετικές αρμονικές ταλαντώσεις επικαλύπτονται, για αυτό οι επιμέρους ημιτονικές συναρτήσεις συνήθως δεν είναι πλέον αναγνωρίσιμες στο σήμα χρόνου.

Τομέας χρόνου

Κατά την ανάλυση της δόνησης στον τομέα του χρόνου, το σύνθετο υπερτιθέμενο σήμα δόνησης σχεδιάζεται σε έναν άξονα χρόνου. Τα κυρίαρχα παροδικά σήματα ή μοτίβα που προκύπτουν στο σήμα χρόνου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη ζημιά.
Για παράδειγμα, η ζημιά σε ένα έδρανο σε πρώιμο στάδιο δημιουργεί περιοδικά πλάτη που μοιάζουν με βελόνες στο σήμα χρόνου.

Το RMS (root-mean-square) και το Peak είναι κοινές παράμετροι κατάστασης που χρησιμοποιούνται στον τομέα του χρόνου.
Για παράδειγμα, στην επιτήρηση κραδασμών, το ριζικό μέσο τετράγωνο της ταχύτητας δόνησης (v-RMS) χρησιμοποιείται για την ανισορροπία, την κακή ευθυγράμμιση και τη χαλάρωση, ενώ το ριζικό μέσο τετράγωνο της επιτάχυνσης δόνησης (a-RMS) χρησιμοποιείται για την τριβή ή την ανεπαρκή λίπανση σε γρανάζια ή έδρανα.
Μία συνήθης μέτρηση για τις τιμές κορυφής είναι η μέγιστη τιμή της επιτάχυνσης δόνησης a-peak, η οποία αντιπροσωπεύει παροδικά συμβάντα, π.χ. ως αποτέλεσμα μιας ζημιάς εδράνων ή μιας ξαφνικής σύγκρουσης της μηχανής.

Τομέας συχνότητας

Κατά την ανάλυση των κραδασμών στον τομέα της συχνότητας, το σύνθετο υπερτιθέμενο σήμα χρόνου αναλύεται στις διάφορες συνιστώσες και πλάτη συχνότητας χρησιμοποιώντας τον γρήγορο μετασχηματισμό Fourier (FFT). Αυτό καθιστά δυνατό τον γρήγορο και ξεκάθαρο προσδιορισμό των κυρίαρχων συχνοτήτων, όπως η συχνότητα ανισορροπίας στο μείγμα δονήσεων.

Μία ειδική μορφή του FFT είναι η περιβάλλουσα καμπύλη φάσματος (= H-FFT), όπου οι περιοδικοί παλμοί κραδασμών (π.χ. μιας ζημιάς στα έδρανα κύλισης) που διεγείρουν τη φυσική συχνότητα του συστήματος αποδιαμορφώνονται και προφιλτράρονται ανάλογα. Ειδικά για τα έδρανα κύλισης ή τις σύνθετες κινηματικές των μηχανών (π.χ. γρανάζια), το πλεονέκτημα των αναλύσεων H-FFT είναι ότι οι συχνότητες επαναλαμβανόμενων παλμών κρούσης του τμήματος που έχει υποστεί ζημιά μπορούν να αναγνωρίζονται ξεκάθαρα.

Ευρυζωνική μέτρηση

Οι ευρυζωνικές μετρήσεις καταγράφουν και αναλύουν ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων ενός σήματος, συμπεριλαμβανομένων όλων των στοιχείων συχνότητας. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων (π.χ. 2...1000 Hz) και οι παράμετροι κατάστασης (όπως το ριζικό μέσο τετράγωνο της ταχύτητας δόνησης v-RMS) υπολογίζονται από αυτό και μεταδίδονται σε πραγματικό χρόνο για επιτήρηση της κατάστασης.

Στενοζωνική μέτρηση

Οι στενοζωνικές μετρήσεις πραγματοποιούνται μόνο σε ένα στενό εύρος συχνοτήτων ή σε συγκεκριμένες συχνότητες εντός του συνολικού φάσματος. Συχνά χρησιμοποιούνται όταν υπάρχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για ένα συγκεκριμένο στοιχείο συχνότητας (όπως οι συχνότητες ενός εδράνου κύλισης) ή σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων.

Μετατόπιση κραδασμών d

Η μετατόπιση κραδασμών είναι η πραγματική απόσταση που ένα σημείο μέτρησης απομακρύνεται από την αρχική του στατική θέση. Η παράμετρος χρησιμοποιείται για την ανίχνευση κυκλικών κινήσεων σε μία εφαρμογή, όπως την κίνηση ενός ιμάντα μεταφοράς ή την κατάσταση των στοιχείων ενεργοποίησης ενός δονούμενου μεταφορέα. Συνήθως, η μετατόπιση κραδασμών καταγράφεται σε εύρος συχνοτήτων κάτω των 500 Hz.

Ταχύτητα δόνησης v

Η ταχύτητα δόνησης, ειδικά η τιμή RMS, είναι ένας καλός δείκτης της ενέργειας που δρα σε ένα μηχάνημα. Ειδικότερα, σε αυξημένο v-RMS μπορεί να οδηγήσει η ανισορροπία, η χαλάρωση, η κακή ευθυγράμμιση ή προβλήματα ιμάντων. Αυτές οι εφαρμογές τυπικά έχουν εύρος συχνοτήτων 2...1000 Hz (σύμφωνα με το ISO 10816-3 ή το ISO 20816-3).

Επιτάχυνση κραδασμών a

Οι χαρακτηριστικές τιμές ευρυζωνικής υψηλής συχνότητας, όπως το a-peak ή το a-RMS, είναι καθιερωμένοι δείκτες για τη ζημιά, την απόξεση, την τριβή ή τη σπηλαίωση εδράνων. Ειδικά στα αρχικά στάδια της ζημιάς, οι κορυφές επιτάχυνσης υψηλής συχνότητας δεν καλύπτονται από το εύρος συχνοτήτων ISO 20816. Έτσι, η επιτάχυνση κραδασμών είναι ιδιαίτερα χρήσιμη ως ένδειξη έγκαιρης προειδοποίησης των σύντομων παροδικών παλμών δόνησης που προκύπτουν από μία ζημιά σε αρχικό στάδιο σε ένα έδρανο ή από αστοχίες δοντιών ενός γραναζιού.

Συντελεστής Crest

Μία ειδική παράμετρος των μετρήσεων της επιτάχυνσης δόνησης είναι ο συντελεστής Crest. Υπολογίζεται διαιρώντας την τιμή κορυφής με την τιμή RMS:
Crest = a−peak / a−RMS

Ο συντελεστής Crest είναι χρήσιμος για την αξιολόγηση ζημιών εδράνων. Ιδιαίτερα κατά τα πρώτα στάδια της ζημιάς στα έδρανα, τα στοιχεία κύλισης που περνούν περιοδικά μέσα από το άνοιγμα προκαλούν βραχείς κραδασμούς. Αυτοί οι παλμοί κραδασμών οδηγούν σε αυξημένη τιμή a-peak. Ωστόσο, σε αυτήν τη φάση, η τιμή a-RMS παραμένει σχετικά μικρή. Καθώς η ζημιά εξελίσσεται, η συχνότητα των κοιλωμάτων και η ένταση των παλμών κραδασμών αυξάνονται, οδηγώντας σε αυξημένη τιμή a-RMS. Ειδικά σε αυτήν την αρχική φάση μεταξύ των υψηλών τιμών a-peak και χαμηλών τιμών a-RMS, ο συντελεστής Crest είναι ένας χρήσιμος πρόσθετος δείκτης για την έγκαιρη αναγνώριση της ζημιάς του εδράνου, καθώς ο συντελεστής Crest πρέπει επίσης να είναι υψηλός σε αυτήν τη φάση και σταδιακά μειώνεται με την αύξηση της τιμής a-RMS.

Σύγκριση μέτρησης ενός άξονα και μέτρησης πολλών αξόνων

Στις περισσότερες εφαρμογές, η μονοαξονική μέτρηση κραδασμών είναι επαρκής, καθώς η κύρια δόνηση εμφανίζεται σε ακτινική κατεύθυνση από τον άξονα.
Ωστόσο, οι μετρήσεις 3 αξόνων μπορεί να έχουν καθοριστικά πλεονεκτήματα όσον αφορά τη λειτουργία, την ευελιξία και το κόστος.

Για παράδειγμα, ανάλογα με την κινηματική και την κατασκευή της μηχανής, η ακαμψία μιας μηχανής μπορεί να είναι διαφορετική ως προς την ένταση και τα χαρακτηριστικά στην αξονική, οριζόντια ή κατακόρυφη κατεύθυνση. Οι μετρήσεις 3 αξόνων παρέχουν ευελιξία τοποθέτησης και αποτυπώνουν και τις τρεις διαστάσεις με στοχευμένο τρόπο, λαμβάνοντας υπόψη τους διαφορετικούς κραδασμούς.
Επιπλέον, ορισμένες γεωμετρίες μηχανών και μοτίβα αστοχιών επηρεάζουν σημαντικά την κατεύθυνση της εξέλιξης της ζημιάς. Για παράδειγμα, οι κακές ευθυγραμμίσεις του άξονα μπορεί να είναι κυρίαρχες στην αξονική ή ακτινική κατεύθυνση, ή η ανισορροπία / οι κραδασμοί μπορεί να έχουν διαφορετικές κυρίαρχες κατευθύνσεις με ορισμένες γεωμετρίες της μηχανής.

Η φυσική συχνότητα είναι μία συγκεκριμένη συχνότητα ενός συνολικού συστήματος, η οποία κάνει το σύστημα να ταλαντώνεται σε υψηλά πλάτη ακόμα και σε ελαφρά διέγερση. Ο συντονισμός προκύπτει όταν η συχνότητα διέγερσης, ή ένα πολλαπλάσιό της, συμπίπτει με τη φυσική συχνότητα του συστήματος.

Ένα συνολικό σύστημα έχει πολλαπλές φυσικές συχνότητες, το οποίο σημαίνει ότι από μία διέγερση μπορούν να προκληθούν πολλαπλοί συντονισμοί. Για παράδειγμα, ένα συνολικό σύστημα που αποτελείται από έναν ηλεκτροκινητήρα και έναν αισθητήρα κραδασμών έχει διάφορες φυσικές συχνότητες, επομένως το σήμα επιτάχυνσης του αισθητήρα μπορεί να περιέχει τον συντονισμό του κινητήρα, αλλά και τον συντονισμό του αισθητήρα.
Η φυσική συχνότητα του συστήματος ορίζεται από τη μάζα και την ακαμψία του. Η απόσβεση ενός συστήματος καθορίζει την ενίσχυση της διέγερσης σε μία φυσική συχνότητα.