آشنایی با مفاهیم آنالیز ارتعاشات

مقدمه

علم ارتعاشات (مشتمل بر اندازه گیری و تحلیل ارتعاش) کاربردهای زیادی در صنعت دارد که برخی از آنها عبارتند از:

     – طراحی دینامیکی ماشین آلات و سازه ها (تحلیل روتور دینامیک – آنالیز مودال)

     – تستهای کنترل کیفیت

     – تست پذیرش تجهیزات پس از نصب (Acceptance Testing)

     – طراحی سیستمهای کنترل و ایزوله کردن ارتعاشات

     – پایش وضعیت (کاندیشن مانیتورینگ)، حفاظت فنی و عیب یابی ماشین آلات

ارتعاش چیست

ارتعاشات چیست؟

لرزش یا همان ارتعاشات مکانیکی به نوعی از حرکت سیستمهای دینامیکی اطلاق می شود که به صورت نوسانی  (رفت و برگشتی) صورت پذیرفته و حرکت در یک بازه زمانی (پریود ارتعاش) تکرار شود.   این نوع حرکت را در ساده ترین شکل می توان با یک جرم و یک فنر شبیه سازی کرد. با القاء یک تغییر مکان اولیه به جرم متصل به فنر و رها کردن آن، حرکت نوسانی رخ می دهد که می توان دامنه آن را به کمک یک تابع سینوسی بیان نمود.

مفاهیم اولیه ارتعاشات

مشخصه های مهم حرکت ارتعاشی (لرزش) عبارتند از:

  • دامنه، که معیاری از شدت ارتعاش (لرزش) است.
  • فرکانس یا تواتر، که معیاری از نرخ حرکت در واحد زمان است. 
  • فاز، که توالی حرکت را نسبت به یک مرجع مشخص می سنجد.

  دامنه ارتعاش را می توان از طریق سه پارامتر مختلف بیان کرد:

  • جابجایی
  • سرعت 
  • شتاب

جابجایی چیست؟

  پارامتر اولیه دامنه که در مورد سیستم جرم و فنر، موقعیت جرم را در هر لحظه به دست می دهد.   واحدهای اندازه گیری جابجایی:  

در سیستم SI: واحد سنجش μm می‌باشد

در سیستم اینچی:     mils که برابر یک هزارم اینچ است

منظور از سرعت چیست؟

سرعت، از نظر ریاضی مشتق جابجایی است که نرخ تغییرات جابجایی در واحد زمان را نشان می دهد.

  واحدهای اندازه گیری سرعت:  

در سیستم متری:    mm/s

در سیستم اینچی:    in/s   

منظور از شتاب چیست؟

  شتاب از نظر ریاضی، مشتق سرعت است و نرخ تغییرات سرعت در واحد زمان را نشان می دهد.    واحدهای اندازه گیری شتاب:   در سیستم متری:    g  و یا m/s2

در سیستم اینچی:      g   و    یا in/s

ارتباط میان جابجایی سرعت و شتاب

به طور کلی دامنه هر موج سینوسی را به سه شکل می توان تعیین کرد:  

  • مقدار ۰-p (صفر تا پیک)
  • مقدار p-p
  • مقدار rms یا مقدار مؤثر
  • مقدار میانگین

منظور از فرکانس و فاز ارتعاشات چیست؟

پریود زمانی حرکت (T) بازه زمانی است که سیکل ارتعاشی خود راتکرار می کند. فرکانس ارتعاشات در واقع عکس پریود زمانی است.

    واحدهای اندازه گیری فرکانس:

Hertz = 1 / s

cpm= Cycle per minute 

cps    = Cycle per second

            که داریم:

                        1Hz = 1 cps = 60 cpm       

فاز، همیشه نسبت به یک مرجع سنجیده می شود و توالی حرکت را نسبت به آن نشان می دهد.

واحد اندازه گیری فاز: درجه ° می‌باشد

چرا ارتعاش در ماشین آلات و تجهیزات دوار وجود دارد؟

به طور کلی دو نوع نیروی استاتیکی و دینامیکی در ماشین آلات وجود دارد. نیروهای ارتعاش زا از نوع نیروهای دینامیکی هستند که بر اثر وجود کاستی هایی در ماشین ایجاد می شوند. برخی از زمینه های بروز کاستی (اختلاف از حالت ایده آل) عبارتند از:   – محدودیتهای طراحی – محدودیتهای ساخت – اشکال در نصب اولیه – اشکالات بهره برداری – بروز اشکالات در حین تعمیرات – و …

از آنجاییکه رسیدن به حالت ایده آل امکان پذیر نیست، همیشه تا حدی لرزش  و ارتعاش در ماشین آلات وجود دارد که مجاز شمرده می شود. اما با گذشت زمان و بر اثر بروز اشکالات بعدی، بعضاً ارتعاشات نسبت به حد مجاز افزایش می یابد که با آنالیز و انجام اقدام اصلاحی مناسب، می توان وضعیت را به حالت قبل برگرداند.    رابطه زیر میزان ارتعاش ماشین را تعیین می کند:

        Vibration = Vibratory Force / Impedance  

نیروهای ارتعاش زا در داخل ماشین و معمولاً در سیستم روتور (یعنی بخش در حال دوران) تولید می شوند. امپدانس از مشخصات هر سیستم مکانیکی و از جمله ماشین آلات دوار است و مسیر انتقال ارتعاش را توصیف می کند.

ارتعاشاتی که معمولاً از روی بخش ساکن (استاتور) ماشین آلات و به ویژه از روی هوزینگ بیرینگ اندازه گیری می شود، تحت تأثیر دو پارامتر فوق است.

اکنون دو پارامتر فوق (یعنی نیروهای ارتعاش زا و امپدانس) را جداگانه بررسی می کنیم.

نیروهای ارتعاش زا (Vibratory Forces)   برخی از عوامل ایجاد نیروهای ارتعاش زا در ماشین آلات، عبارتند از:   – میس الایمنت – نامیزانی جرمی – سایش اجزا و قطعات – نیروهای آئرودینامیکی و هیدرودینامیکی – نیروهای الکترومغناطیسی – تماس قطعات متحرک و ثابت – اصطکاک – . . .  

امپدانس (Impedance)

امپدانس و یا مقاومت مکانیکی در برابر حرکت، از خصوصیات هر سیستم مکانیکی است که سه مؤلفه دارد:

  • جرم    
  • سفتی
  • میرایی (دمپینگ) 

برخی عوامل بدون اینکه از خود نیرویی تولید کنند و تنها از طریق تاثیر بر امپدانس، منجر به تشدید ارتعاش می شوند. مهمترین آنها عبارتند از: – لقی مکانیکی – تحریک فرکانسهای طبیعی اجزاء (رزونانس) – ضعف در فونداسیون و یا شاسی ماشین آلات – ضعیف بودن سازه (استراکچر) – . . .

ارتعاشات به عنوان مشخص کننده وضعیت تجهیز

ارتعاشات هر تجهیز دوار (چه از نظر دامنه و چه از نظر سایر مشخصات ارتعاشات) ارتباط مستقیمی با وضعیت آن دارد و هرگونه تغییر هر چند جزئی در وضعیت تجهیز (از هر نظر) با تغییر در وضعیت ارتعاشات آن همراه خواهد بود.

منظور از تغییر در وضعیت تجهیز چیست؟   – تغییر در شرایط بهره برداری تجهیز – بروز اشکال (مکانیکی، الکتریکی، . . . ) در تجهیز – تغییر بار وارد بر تجهیز – . . .  

لذا اندازه گیری و تحلیل ارتعاشات یکی از تکنیکهای اصلی برای پایش وضعیت (مانیتورینگ) تجهیزات و ماشین آلات دوار به شمار می رود.

برخی عیوب قابل شناسایی از طریق تحلیل ارتعاش

برخی از عیوبی که به کمک ارتعاش سنجی و تحلیل سیگنال لرزش ماشین آلات شناسایی می شوند:

  1.  نامیزانی جرمی (آنبالانسی)
  2. میس الایمنت (نا هم راستایی)
  3.  رزونانس (تشدید)
  4. لقی مکانیکی
  5. خرابی بیرینگ
  6. خرابی چرخ دنده
  7. خارج از مرکزی
  8. شفت خمیده
  9. فونداسیون معیوب
  10. اشکالات الکتریکی
  11. اشکالات آیرودینامیکی و هیدرودینامیکی
  12. خرابی کوپلینگ
  13. خرابی تسمه و پولی
  14.  اشکالات پایپینگ
  15. اعوجاج پوسته
  16. و . . .

نکته مهم و کلیدی در عیب یابی از طریق تحلیل ارتعاشات این است که:

هر عیبی در تجهیزات دوار، لرزش و ارتعاشی با مشخصات خاص خود (از لحاظ دامنه، فرکانس، فاز و …) ایجاد می نماید.

معرفی روشها و تکنیکهای تحلیل ارتعاشات به منظور مراقبت وضعیت ماشین آلات

برخی از تکنیکهای رایج تحلیل ارتعاشات در کاربردهای مختلف و به ویژه موضوع پایش وضعیت و مانیتورینگ تجهیزات دوار عبارتند از:  

– تحلیل مقدار کلی ارتعاشات

– پارامترها و مشخصه های بیرینگهای غلتشی (BCU، BP، Crest factor، k-factor، PeakVue، SEE و … )

– آنالیز طیف فرکانسی (آنالیز FFT یا Spectrum)

– تحلیل شکل موج زمانی لرزش
 – آنالیز Envelope یا دمودولاسیون سیگنال لرزش

– آنالیز کپستروم

– تحلیل زاویه فاز

– تحلیل Run up و Coast Down (منحنی بود، منحنی نایکویست، منحنی مرکز شفت، منحنی آبشاری یا واتر فال)

– آنالیز اُربیت (لسیژوا)

– و …  

در ادامه ابتدا برخی از تکنیکهای فوق به اختصار معرفی می شوند و سپس موضوع “تشخیص عیوب رایج تجهیزات دوار از طریق تحلیل فرکانسی سیگنال لرزش و تحلیل زاویه فاز” را با تفصیل بیشتر دنبال خواهیم کرد.

تحلیل مقدار کلی ارتعاشات برای پایش وضعیت

این روش به عنوان ساده ترین تکنیک برای ارزیابی وضعیت ماشین آلات دوار بکار می رود. استانداردهای مختلفی نیز برای تعیین مقادیر مجاز ارتعاشات وجود دارند که از آن جمله ISO 10816 است که در بخش معرفی منابع به آن پرداخته شد. شایان ذکر است با توجه به الگوی ۷-۴-۲ به ترتیب و از کم به زیاد، میزان ارتعاش نرمال ماشین در جهات محوری، عمودی و افقی رخ می دهد. البته این یک قاعده سر انگشتی است و ممکن است در برخی موارد صادق نباشد، اما صحت آن در اغلب موارد به اثبات رسیده است. لذا با توجه به چگونگی تغییر این الگو می توان برخی از اشکالات را حتی بدون در دست داشتن منحنی فرکانسی حدس زد.

آنالیز طیف فرکانسی (آنالیز FFT یا Spectrum) برای مراقبت وضعیت و عیب یابی

این تکنیک بدون شک یکی از مهم ترین تکنیکهای رایج تحلیل سیگنال ارتعاشی است که کاربرد شایانی در پایش وضعیت و تشخیص عیوب ماشینهای دوار دارد. پس از یکسری پردازشهای اولیه بر روی سیگنال ارتعاشات، برای به دست آوردن منحنی طیف فرکانسی از الگوریتم FFT یا تبدیل فوریه سریع استفاده می گردد. لذا به منحنی فرکانسی گاهی اوقات منحنی FFT نیز گفته می شود. به طور کلی عیوب مختلف، منجر به ایجاد طیفهای فرکانسی خاص خود می شوند که این موضوع در ادامه مباحث عیب یابی دنبال خواهد شد.

تحلیل شکل موج زمانی ارتعاش و کاربرد آن برای مراقبت وضعیت و عیب یابی

شکل موج ارتعاشات، در واقع سیگنال ارتعاشات بدون تقریباً هیچگونه پردازشی است و لذا در تحلیل دینامیکی ماشین از اهمیت خاصی برخوردار است. در واقع برخی عیوب نظیر شکستگی چرخ دنده ها، عیوبی که pulse ایجاد می کنند، ارتعاشات ضربانی (beat)، پدیده مدولاسیون و … از طریق تحلیل شکل موج لرزش آسان تر تشخیص داده می شوند.

آنالیز زاویه فاز و کاربرد آن برای تشخیص عیوب تجهیزات دوار

از طریق مقایسه مقادیر زاویه فاز ارتعاش در نقاط و جهات مختلف اندازه گیری بر روی ماشین یا هر سازه دیگری، می توان شمایی از چگونگی حرکت اجزاء مختلف آن نسبت به یکدیگر به دست آورد. در برخی موارد، مشخصات فرکانسی لرزش ناشی از عیوب مختلف، مشابه یکدیگر می باشد و لذا تمایز بین این عیوب تنها از طریق منحنی اسپکتروم امکان پذیر نخواهد بود. در ایینگونه موارد می بایست از سایر مشخصات سیگنال ارتعاشی (لرزش) مانند زاویه فاز برای تفکیک عیوب از هم استفاده کرد، چون علیرغم تشابه منحنی های فرکانسی (اسپکتروم)، الگوی زاویه فاز در مورد اشکالات مختلف، متمایز می باشد. به طور کلی برخی از کاربردهای زاویه فاز عبارتند از:  

– تشخیص ترک در شفت

– بالانس دینامیکی

– تشخیص رزونانس و سرعت بحرانی

– به دست آوردن شکل مودها

– تشخیص نامیزانی جرمی، میس الایمنت و شفت خمیده از یکدیگر

– و …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *