Grundläggande principer och teknik

Harmonisk svängning kan beskrivas matematiskt med hjälp av en sinusformad funktion. Det här är några av de variabler som påverkar oscillationen:

Period T är den tid som krävs för att slutföra en hel cykel. Inversen av perioden kallas frekvens (f = 1/T). Vid ett motorvarvtal på 3 000 varv per minut upprepas rotationen var 20:e ms (period T), vilket motsvarar en frekvens på 50 Hz.

Amplitud A avser den maximala förskjutningen av svängningen från jämviktsläget. Det finns olika begrepp som kan användas i samband med amplituden. Förutom det klassiska toppvärdet (= amplitud, topp) är effektivvärde (= rms-värde) och vibrationsamplitud (= 2 x amplitud, topp-topp) två vanliga mätvärden.

Fas avser tidsförskjutningen av ett periodiskt fenomen, t.ex. av en sinusoid från en referenspunkt (t.ex. puls från en pulsgivare). I vårt fall är fasen ett viktigt mått för balansering av ett roterande system för att bestämma motviktens position.

I praktiken kommer många olika harmoniska svängningar att överlappa varandra, vilket är anledningen till att de enskilda sinusfunktionerna vanligtvis inte längre kan identifieras i tidssignalen.

Tidsdomän

Vid analys av vibrationer i tidsdomänen plottas den komplexa överlagrade vibrationssignalen på en tidsaxel. Dominanta transientsignaler eller mönster som uppstår i tidssignalen kan användas för att dra slutsatser om skadan.
Till exempel skapar lagerskador i ett tidigt skede nålliknande periodiska amplituder i tidssignalen.

RMS (root-mean-square) och Peak är vanliga tillståndsparametrar som används i tidsdomänen.
Vid vibrationsövervakning används t.ex. kvadratroten av vibrationshastigheten (v-RMS) för obalans, felinriktning och lossning, medan kvadratroten av vibrationsaccelerationen (a-RMS) används för friktion eller otillräcklig smörjning i växlar eller lager.
Ett vanligt mått för toppvärden är toppvärdet för vibrationsaccelerationen a-peak, som representerar övergående händelser, t.ex. till följd av lagerskador eller en plötslig maskinkrasch.

Frekvensdomän

Vid analys av vibrationer i frekvensdomänen delas den komplexa överlagrade tidssignalen upp i sina olika frekvenskomponenter och amplituder med hjälp av Fast Fourier Transform (FFT). Detta gör det möjligt att snabbt och tydligt identifiera dominerande frekvenser som t.ex. obalansfrekvensen i vibrationsblandningen.

En speciell form av FFT är envelope-kurvspektrum (= H-FFT), där de periodiska stötpulserna (t.ex. vid skador på rullningslager) som stimulerar systemets egenfrekvens demoduleras och förfiltreras i enlighet med detta. Särskilt när det gäller rullningslager eller komplex maskinkinematik (t.ex. kugghjul) är fördelen med H-FFT-analyser att de återkommande stötpulsfrekvenserna för den skadande delen tydligt kan identifieras.

Bredbandsmätningar

Bredbandsmätningar registrerar och analyserar hela frekvensområdet för en signal, inklusive alla frekvenskomponenter. Mätningarna utförs över ett brett frekvensområde (t.ex. 2–1 000 Hz) och tillståndsparametrar (t.ex. medelkvadratvärdet för vibrationshastigheten v-RMS) beräknas utifrån detta och överförs i realtid för tillståndsövervakning.

Smalbandsmätning

Smalbandsmätningar utförs i endast ett smalt frekvensområde eller i specifika frekvenser inom det totala spektrumet. De används ofta när det finns ett särskilt intresse för en specifik frekvenskomponent (t.ex. lagerfrekvenserna i ett rullningslager) eller för ett specifikt frekvensområde.

Vibrationsförskjutning d

Vibrationsförskjutning är det faktiska avstånd som en mätpunkt förflyttar sig från sin ursprungliga statiska position. Parametern används för att upptäcka cykliska rörelser i en applikation , t.ex. transportörrörelser eller tillståndet hos dämpningselementen i en vibrerande transportör. Vanligtvis registreras vibrationsförskjutningen i ett frekvensområde under 500 Hz.

Vibrationshastighet v

Vibrationshastigheten, särskilt RMS-värdet, är en bra indikator på den energi som verkar på en maskin. Obalans, lossning, felinriktning eller problem med remmarna kan i synnerhet leda till en ökad v-RMS. Dessa applikationer har vanligtvis ett frekvensområde på 2–1 000 Hz (enligt ISO 10816-3 eller ISO 20816-3).

Vibrationsacceleration a

Högfrekventa bredbandskarakteristikvärden som a-peak eller a-RMS är etablerade indikatorer på lagerskador, gnidning, friktion eller kavitation. Särskilt i de tidiga stadierna av skadan täcks inte de högfrekventa accelerationstopparna av frekvensområdet i ISO 20816. Således är vibrationsaccelerationen särskilt användbar som en tidig varningsindikator för de korta transienta stötpulser som uppstår till följd av begynnande lagerskador eller kugghjulsfel.

Toppfaktor

En särskild parameter vid mätning av vibrationsacceleration är toppfaktorn. Den beräknas genom att man dividerar toppvärdet med RMS-värdet:
Topp = a−peak/a− RMS

Toppfaktorn är användbar för att utvärdera lagerskador. Särskilt under de tidiga stadierna av lagerskador kommer rullande element som periodiskt passerar genom gropar att orsaka korta vibrationsstötar. Dessa stötpulser kommer att leda till en ökad a-topp. Under denna fas kommer dock a-RMS-värdet att förbli relativt litet. Allteftersom skadan fortskrider ökar frekvensen av gropar och intensiteten i stötpulserna, vilket leder till en ökad a-RMS. Särskilt i denna inledande fas mellan höga a-toppar och låga a-RMS-värden är toppfaktorn en användbar extra indikator för att tidigt identifiera lagerskador, eftersom toppfaktorn också måste vara hög i denna fas och gradvis sjunker med ökande a-RMS-värden.

Enaxlig kontra fleraxlig mätning

I de flesta applikaitoner räcker det med enaxlig vibrationsmätning, eftersom huvudvibrationen uppstår i radiell riktning från axeln.
Treaxliga mätningar kan dock ha avgörande fördelar när det gäller funktion, flexibilitet och kostnader.

Beroende på kinematik och maskinkonstruktion kan t.ex. en maskins styvhet ha olika intensitet och egenskaper i axiell, horisontell eller vertikal riktning. Treaxliga mätningar ger monteringsflexibilitet och fångar alla tre dimensionerna på ett målinriktat sätt, med hänsyn till olika vibrationsstimuleringar.
Dessutom har vissa maskingeometrier och felmönster stor betydelse för skadeutvecklingens riktning. Exempelvis kan axelfelinriktningar vara dominerande i axiell eller radiell riktning, eller så kan obalans/stötar ha olika dominerande riktningar med vissa maskingeometrier.

Egenfrekvensen är en specifik frekvens för ett övergripande system, som får systemet att svänga med höga amplituder även vid liten excitation. Resonans uppstår när excitationsfrekvensen, eller en multipel av den, sammanfaller med systemets egenfrekvens.

Ett övergripande system har flera naturliga frekvenser, vilket innebär att flera resonanser kan orsakas av excitation. Till exempel har ett övergripande system som består av en elmotor och en vibrationsgivare olika naturliga frekvenser, så givarens accelerationssignal kan innehålla motorns resonans, men också sin egen resonans.
Systemets egenfrekvens bestäms av dess massa och styvhet. Dämpningen i ett system bestämmer förstärkningen av excitationen vid en egenfrekvens.