Základní principy a technologie

Harmonické kmitání lze matematicky popsat pomocí sinusové funkce. Toto jsou některé z proměnných ovlivňujících kmitání:

Perioda T je doba potřebná k dokončení celého cyklu. Inverzní hodnota periody se nazývá frekvence (f = 1/T). Při rychlosti motoru 3000 otáček za minutu se otáčení opakuje každých 20 ms (perioda T), což odpovídá frekvenci 50 Hz.

Amplituda A označuje maximální posun kmitání od rovnovážné polohy. V souvislosti s amplitudou lze použít různé pojmy. Kromě klasické špičkové hodnoty (= amplituda, peak) jsou dvěma běžnými metrikami střední kvadratická hodnota (= hodnota RMS) a amplituda vibrací (= 2x amplituda, peak-peak).

Fáze označuje časový posun periodického jevu, např. sinusoidy, od referenčního bodu (např. impulsu rotačního snímače). V našem případě je fáze důležitou metrikou pro vyvažování rotující soustavy za účelem určení polohy protizávaží.

V praxi se mnoho různých harmonických kmitů překrývá, a proto jednotlivé sinusové funkce již obvykle nelze v časovém signálu identifikovat.

Časová doména

Při analýze vibrací v časové doméně se komplexní superponovaný vibrační signál zobrazuje na časové ose. Dominantní přechodové signály nebo vzory, které se vyskytují v časovém signálu, lze použít k vyvození závěrů o poškození.
Například poškození ložiska v rané fázi vytváří v časovém signálu jehličkovité periodické amplitudy.

RMS (root-mean-square, střední kvadratická hodnota) a Peak (špička) jsou běžné parametry podmínek používané v časové doméně.
Například při monitorování vibrací se pro nevyváženost, nesouosost a uvolnění používá střední kvadratická hodnota rychlosti vibrací (v-RMS), zatímco střední kvadratická hodnota zrychlení vibrací (a-RMS) se používá pro tření nebo nedostatečné mazání v převodovkách nebo ložiscích.
Běžnou metrikou pro hodnoty špiček je špičková hodnota zrychlení vibrací a-peak, která představuje přechodné události, např. v důsledku poškození ložisek nebo náhlé havárie stroje.

Frekvenční doména

Při analýze vibrací ve frekvenční doméně se komplexní superponovaný časový signál rozkládá na různé frekvenční složky a amplitudy pomocí rychlé Fourierovy transformace (FFT – Fast Fourier Transform). To umožňuje rychle a jasně identifikovat dominantní frekvence, například frekvenci nevyváženosti ve směsi vibrací.

Speciální formou FFT je spektrum obálkové křivky (= H-FFT), kde jsou periodické rázové impulsy (např. poškození valivých ložisek), které stimulují přirozenou frekvenci systému, demodulovány a odpovídajícím způsobem předfiltrovány. Zejména u valivých ložisek nebo složitých kinematik strojů (např. ozubených kol) je výhodou H-FFT analýz, že lze jasně rozpoznat opakující se frekvence rázových impulsů poškozené části.

Širokopásmové měření

Širokopásmová měření zaznamenávají a analyzují celý frekvenční rozsah signálu včetně všech frekvenčních složek. Měření se provádí v širokém frekvenčním rozsahu (např. 2...1000 Hz) a na základě toho se vypočítávají parametry stavu (např. střední kvadratická hodnota rychlosti vibrací v-RMS) a přenášejí se v reálném čase pro monitorování stavu.

Úzkopásmové měření

Úzkopásmová měření se provádějí pouze v úzkém frekvenčním rozsahu nebo v určitých frekvencích v rámci celkového spektra. Často se používají tam, kde je zvláštní zájem o určitou frekvenční složku (např. ložiskové frekvence valivého ložiska) nebo o určitý frekvenční rozsah.

Vibrační posun d

Vibrační posun je skutečná vzdálenost, o kterou se měřicí bod vzdálí od své původní statické polohy. Parametr se používá k detekci cyklických pohybů v aplikaci, například pohybu dopravníku nebo stavu tlumicích prvků vibračního dopravníku. Obvykle se vibrační posun zaznamenává ve frekvenčním rozsahu pod 500 Hz.

Rychlost vibrací v

Rychlost vibrací, zejména hodnota RMS, je dobrým ukazatelem energie působící na stroj. Zejména nevyváženost, uvolnění, nesouosost nebo problémy s řemenem mohou mít za následek zvýšení v-RMS. Tyto aplikace mají obvykle frekvenční rozsah 2...1000 Hz (podle ISO 10816-3 nebo ISO 20816-3).

Zrychlení vibrací a

Vysokofrekvenční širokopásmové charakteristické hodnoty, jako je a-peak nebo a-RMS, jsou zavedenými indikátory poškození ložiska, škrábání, tření nebo kavitace. Zejména v počátečních fázích poškození nejsou vysokofrekvenční špičky zrychlení pokryty frekvenčním rozsahem ISO 20816. Zrychlení vibrací je tak užitečné zejména jako indikátor včasného varování před krátkými přechodnými rázovými impulsy, které jsou důsledkem počínajícího poškození ložiska nebo závady zubu převodovky.

Koeficient výkyvu

Zvláštním parametrem měření zrychlení vibrací je crest factor. Vypočítá se vydělením hodnoty špičky (peak) hodnotou RMS:
Crest = a−peak / a−RMS

Crest factor je užitečný pro vyhodnocení poškození ložiska. Zejména v počátečních fázích poškození ložiska způsobují valivá tělesa pravidelně procházející důlky krátké vibrační rázy. Tyto rázové impulsy vedou ke zvýšené hodnotě a-peak. V této fázi však zůstane hodnota a-RMS relativně malá. S postupujícím poškozením se zvyšuje frekvence tvorby důlků a intenzita rázových impulzů, což vede ke zvýšení a-RMS. Zejména v této počáteční fázi mezi vysokými hodnotami a-peak a nízkými hodnotami a-RMS je koeficient výkyvu užitečným doplňkovým ukazatelem pro včasnou identifikaci poškození ložiska, protože koeficient výkyvu musí být v této fázi také vysoký a postupně klesá s rostoucími hodnotami a-RMS.

Jednoosé vs. víceosé měření

Ve většině aplikací postačuje měření jednoosých vibrací, protože hlavní vibrace se vyskytují v radiálním směru od hřídele.
Tříosé měření však může mít rozhodující výhody z hlediska funkčnosti, flexibility a nákladů.

Například v závislosti na kinematice a konstrukci stroje může být jeho pevnost v axiálním, horizontálním nebo vertikálním směru různě velká a charakteristická. Tříosé měření umožňují flexibilitu montáže a cíleně zachycují všechny tři rozměry s ohledem na různé vibrační podněty.
Kromě toho mají na směr vývoje poškození značný vliv určité geometrie stroje a vzorce poruch. Například nesouosost hřídele může být dominantní v axiálním nebo radiálním směru nebo nevyváženost/rázy mohou mít u určitých geometrií stroje různé převládající směry.

Přirozená frekvence je specifická frekvence celého systému, která způsobí, že systém bude kmitat s vysokou amplitudou i při mírné excitaci. K rezonanci dochází, když se excitační frekvence nebo její násobek shoduje s přirozenou frekvencí systému.

Celkový systém má více přirozených frekvencí, což znamená, že excitace může způsobit více rezonancí. Například celkový systém složený z elektromotoru a snímače vibrací má různé přirozené frekvence, takže signál zrychlení snímače může obsahovat rezonanci motoru, ale také jeho vlastní rezonanci.
Přirozená frekvence soustavy je definována její hmotností a pevností. Tlumení soustavy určuje zesílení excitace na přirozené frekvenci.