آنالیز ارتعاشات چیست؟
آنالیز ارتعاشات چیست؟
آنالیز ارتعاشات به عنوان فرایندی برای اندازهگیری سطوح و فرکانسهای ارتعاش ماشینآلات و استفاده از این اطلاعات برای تحلیل سلامت ماشینها و اجزای آنها شناخته میشود. در حالی که مفاهیم موجود و فرمولهای مورد استفاده برای محاسبه اشکال مختلف ارتعاش ممکن است پدیدههایی پیچیده باشند، اما همه چیز با استفاده از یک شتاب سنج برای اندازهگیری ارتعاش شروع میشود. زمانی که جزئی از یک ماشین یا تجهیز کار میکند، ارتعاش ایجاد میکند. و شتاب سنج متصل به دستگاه سیگنال ولتاژی تولید میکند که نشاندهندهٔ میزان ارتعاش و فرکانس ارتعاشی است که دستگاه تولید میکند، معمولاً چند بار در ثانیه یا دقیقه است که ارتعاش رخ میدهد.
تمام دادههای جمعآوریشده از شتابسنج مستقیماً به یک سیستم جمعآوری داده (نرمافزار) میرود، که سیگنال را به صورت نسبت دامنه به زمان (معروف به شکل موج زمان)، نسبت دامنه به فرکانس (معروف به تبدیل فوریه سریع fast Fourier transform یا FFT) یا هر دو ثبت میکند. همه این دادهها توسط الگوریتمهای کامپیوتری تجزیه و تحلیل میشوند، و در ادامه یک بار دیگر توسط مهندسان یا تحلیلگران آموزشدیدهٔ مبحث ارتعاش برای تعیین سلامت دستگاه و شناسایی مشکلات احتمالی قریبالوقوع مانند شلی، عدم تعادل، ناترازی، مشکلات روانکاری و موارد دیگر تجزیه و تحلیل میشوند. آنالیز ارتعاشات میتواند مشکلاتی مانند زیر را شناسایی کند:
- عدم تعادل
- خرابیهای یاتاقانها
- لقی مکانیکی
- ناهمترازی
- رزونانس و فرکانسهای طبیعی
- خطاهای موتور الکتریکی
- خمیدگی شفتها
- خرابیهای گیربکس
- وجود فضای خالی یا حباب (کاویتاسیون cavitation یا حفرهزایی) در پمپها
- وجود سرعتهای بحرانی
متدولوژیهای آنالیز ارتعاشات
در حالی که شتابسنجها هنوز رایجترین ابزار مورداستفاده برای جمعآوری دادههای ارتعاش هستن اما با ظهور فناوریهای مدرن و وجود حسگرهای پیشرفته امروزه امکان استفاده از حسگرهای لیزری غیرتماسی و پرسرعت برای سنجش ارتعاش فراهم شده است که میتوانند مشکلاتی را که شتابسنجها نمیتوانند متوجه آنها شوند را تشخیص دهند. این امر امکان تجزیه و تحلیل دقیقتر و موضعیتر را فراهم میکند و روشهای بیشتر و بهتری را برای آنالیز ارتعاشات معرفی میکند. آنالیز ارتعاش به طور کلی به چهار اصل یا روش تقسیم میشود که هر روش اطلاعات خاصی در مورد شرایط کاری و ویژگیهای قطعات مرتعش را در اختیار کاربران قرار میدهد:
۱. حوزهٔ زمانی
وقتی که یک سیگنال ارتعاشی از مبدل (دستگاهی که یک مقدار فیزیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند) دریافت میشود و روی صفحه یک اسیلوسکوپ یا نوساننگار (دستگاهی الکترونیکی برای مشاهده شکل موج سیگنالها (ولتاژ) است.) نمایش داده میشود، به آن شکل موج میگویند. این سیگنال در حوزهٔ زمان میگنجد. دامنه زمان بر حسب زمان ترسیم شده است. در حالی که اکثر مشکلات ارتعاش ماشین با استفاده از تحلیل طیف تشخیص داده میشوند، برخی از انواع آن به راحتی در شکل موج حوزهٔ زمانی قابل تشخیص هستند.
۲. حوزه فرکانس
هنگامی که شکل موجی زمانی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، مورد آنالیز طیف قرار میگیرد، نتیجه نهایی تصویری از فرکانس به نسبت دامنه نوسان است که به عنوان طیف شناخته میشود. طیف در حوزه فرکانس مانند ارتعاش در حوزه زمان است. بیشتر آنالیزهای عمیق ارتعاشات ماشین آلات در حوزه فرکانس یا با استفاده از تحلیل طیف انجام میشوند.
۳. دامنه مشترک (Joint domain)
از آنجایی که سیگنالهای ارتعاش با زمان تغییر میکنند، محاسبه بیش از یک طیف به طور همزمان میتواند امر مفیدی باشد. برای انجام این کار، میتوان از یک تکنیک زمان مشترک (joint time) به نام Gabor-Wigner-Wavelet (موجک گابور وینگر) استفاده کرد. این تکنیک برای محاسبه تغییرات تبدیل فوریه سریع (TFT) که در ادامه به آن پرداختهایم؛ از جمله تبدیل فوریه کوتاه مدت (STFT) استفاده میشود.
۴. آنالیز مودال (Modal analysis)
متدولوژی آنالیز مودال توابع پاسخ فرکانسی اندازهگیریشده یک قطعه از ماشین را میگیرد و آنها را در یک مدل کامپیوتری قرار میدهد. مدل کامپیوتری با تجسمبخشی تمام حالتهای مختلف ارتعاش را نمایش میدهد. این مدل را میتوان با اضافه کردن یا حذف مواردی مانند جرم یا سختی تنظیم کرد تا اثرات آن را مشاهده کرد.
خارج از این چهار متدولوژی اساسی، اشکال متعددی از آنالیز، محاسبات و الگوریتمهای مورد استفاده برای تعیین جنبههای مختلف تحلیل ارتعاشات وجود دارد که شامل موارد زیر است:
الف) شکل موج زمانی (Time Waveform)
در شکل موج زمانی شتاب را در نسبت با زمان نمایش داده میشود که به صورت نمودار زیر است. شکلهای موج زمان، نمونهای از ارتعاش خام را در یک بازهٔ زمانی کوتاه نشان میدهد، و سرنخهایی را از وضعیت ماشینآلات پدیدار میکند که احتمالاً همیشه در طیف فرکانس مشخص نیستند. استفاده از سیگنالهای ارتعاشی به شکل موج زمانی به عنوان ابزاری برای آنالیز ارتعاش با استفاده از FFT شناخته میشوند.
ب) تکنیک FFT یا تبدیل فوریه سریع
تکنیک FFT به عنوان الگوریتمی برای محاسبه طیفی از شکل موج زمانی تعریف میشود. به عبارت دیگر، FFT محاسباتی است که با هدف تجزیه یک سیگنال به تمام فرکانسهای آن انجام میپذیرد. اگر حوزهٔ زمان و حوزه فرکانس مورد بحث در بالا را به خاطر بیاورید، FFT سیگنالی را از حوزه زمان به حوزه فرکانس تبدیل میکند. تکنیک FFT یا تبدیل فوریه سریع اغلب برای تشخیص عیوب ماشینآلات و تجهیزات مانند ناترازی یا عدم تعادل استفاده میشود.
پ) اندازهگیری زاویه فاز
در مبحث آنالیز ارتعاشات، مفهوم فاز به یک اختلاف زمانی نسبی بین دو سیگنال اشاره دارد که با واحد زاویه نسبت به زمان اندازهگیری میشود. این تکنیک فقط در صورتی کار میکند که دو سیگنال مورد مقایسه، فرکانس یکسانی داشته باشند. اندازهگیری فاز همراه با روش FFT برای رمزگشایی عیوبی از تجهیزات و دستگاهها مانند شل بودن قطعات، ناترازیها و عدم تعادل استفاده میشود.
ت) آنالیز فرمان (Order Analysis)
آنالیز فرمان یا Order Analysis نوعی از آنالیز به روش FFT است که بیشتر برای تعیین میزان ارتعاشات ماشینها با دورهای متغیر در دقیقه (RPM) استفاده میشود. به عبارت دیگر، آنالیز سفارش، تحلیل فرکانسی است که در آن محور فرکانس طیف به جای هرتز، به صورت RPM نشان داده میشود. اصطلاح «فرمانها یا Orders» به فرکانسی اطلاق میشود که مضربی از سرعت چرخش مرجع است. به عنوان مثال، اگر یک سیگنال ارتعاشی دو برابر فرکانس چرخش موتور باشد، فرمان یا Order در اینجا دو است.
ث) چگالی طیفی توانی (PSD)
چگالی طیفی توانی با ضرب دامنه از FFT در اشکال مختلف آن محاسبه میشود تا در بازهٔ عرضی (bin width) فرکانس نرمال شود (بازهٔ عرضی یا bin width به مقادیر گروهبندیشدهٔ محور x اشاره داد).PSD را باید به عنوان نگاهی به ارتعاشات یا حرکات رندوم و تصادفی در فرکانسهای مختلف در نظر گرفت. PSD سیگنالهای ارتعاشی تصادفی را که طول سیگنالهای متفاوتی دارند با دقت مقایسه میکند.
ج) آنالیز به روش انولوپ (Envelope)
آنالیز به روش انولوپ (Envelope) شیوهای از آنالیز ارتعاشات است که به وسیلهٔ آن میتوان ضربههایی را با انرژی بسیار کم، که اغلب توسط سیگنالهای ارتعاشی دیگر تشخیص داده نمیشوند را شناسایی کرد. این روش ابزار شناسایی محبوب برای دندانههای چرخ دنده و یاتاقانهای غلتکی آسیبدیده است.
چ) اوربیت (Orbit)
اوربیت (Orbit) به عنوان طرحی از محور اصلی یاتاقانهای روغنی ژورنال (sleeve bearing journal) تعریف میشود. و با قرار دادن دو پروب در محفظه یاتاقان با فاصله ۹۰ درجه اندازهگیری میشود. دادههای این روش را میتوان به صورت دیجیتالی نمایش داد و برای تشخیص ارتعاشات شفت ناشی از چرخش روغن از داخل که باعث حرکت ژورنال میشود، استفاده کرد.
ح) آنالیز رزونانس
آنالیز رزونانس تمام ارتعاشات و فرکانسهای طبیعی در ماشینآلات را شناسایی میکند. وجود رزونانس به معنای لرزش زیاد است که میتواند به سطوح آسیب رسان برسد.
دیدگاهتان را بنویسید