آنالیز ارتعاشات در بالانس که یک مهندس باید بداند!

آنالیز ارتعاشات در بالانس شامل رفتار ارتعاشی غیرخطی در بالانس و شیوه های گرافیکی و کامپیوتری بالانس در محل که پیش فرض رفتار خطی سیستم تحت بالانس را به همراه دارد، می باشد. لفظ خطی بدان معنا اطلاق می شود که هرگونه تغییر در مؤلفه بردار آزمایشی متناسب با تغییر در مقدار و فاز وزنه آزمایشی خواهد بود.

آشنایی با تحلیل و آنالیز ارتعاشات

در تکنیک آنالیز ارتعاش، میزان ارتعاش دستگاه با استفاده از سنسورهای مخصوص اندازه گیری می شود. برای این منظور می توان یکی از پارامترهای جابجایی، سرعت یا شتاب ارتعاشات را اندازه گیری کرد. در تجزیه و تحلیل ارتعاش، دامنه ارتعاشات یک ماشین معیاری برای وضعیت سلامت آن است.
در مورد ارتعاشات ناشی از عیوب مکانیکی دستگاه، دامنه ارتعاشات نشان دهنده شدت عیب دستگاه است. به این معنی که هر چه دامنه بزرگتر باشد، دستگاه ارتعاشات بیشتری دارد و در نتیجه مشکل حادتر می شود. در تحلیل ارتعاش، دامنه ارتعاشات به نوع ماشین بستگی دارد و همیشه با دامنه ارتعاشات یک ماشین مشابه جدید و سالم مقایسه می شود.
محدودیت های مجاز ارتعاش برای ماشین های مختلف و شرایط عملکرد نیز در استانداردها یا توسط سازندگان تجهیزات مشخص شده است. از طرفی ارتعاش بسیار پایدار بوده و تاثیر کمی بر عوامل محیطی دارد و از این رو می تواند پارامتر مناسبی برای پایش وضعیت (CM) باشد. علاوه بر این، از آنالیز ارتعاش می توان برای عیب یابی ماشین آلات استفاده کرد.

رفتار ارتعاشی غیرخطی (Non-linear vibration behavior)

در آنالیز ارتعاشات در بالانس، رفتار عمده ماشین آلات را می توان خطی فرض کرد، اما مواردی یافت می شود که رابطه مابين نابالانسی و ارتعاشات ناشی از آن به مقدار زیادی غیرخطی است. عموما این حالت در یاتاقانهای روتور و یا ساختار پایه های ماشین آلات اتفاق می افتد. ماشینهایی که بر پایه های لاستیکی و آهنی جفت شده به هم سوار شده اند و یا دستگاه هایی که در آنها از یاتاقانهایی لاستیکی به منظور جاذب ارتعاشی استفاده شده باشد، رفتار ارتعاشی غیرخطی از خود به نمایش می گذارند.

تا آنجاییکه به مبحث بالانس مربوط می شود، غیرخطی بودن بدان معناست که محاسبات عادی گرافیکی یا کامپیوتری، نتایج صحیحی ارائه نکرده بنابراین تنها امکان دریافت نتایج صحیح استفاده از شیوه های سعی و خطا و آنهم شیوه گرافیکی آن می باشد.

اگر چنانچه پس از محاسبات کامپیوتری و یا گرافیکی جرم تصحیح کننده و اعمال آن، هیچ گونه بهبودی در شرایط ارتعاشی دستگاه مشاهده نشود، پیشنهاد می شود خطی بودن رفتار سیستم به شیوه ذیل امتحان شود:

1- نابالانسی اولیه، اندازه گیری شده و بر نمودار برداری ترسیم شود. تکرار پذیری این نتایج بایستی طی سه یا چهار مرتبه تکرار آزمایش تأييد شود.

۲- با فرض اینکه نتایج بدست آمده از اندازه گیری به خودی خود تکرار پذیرند (تغییرات < ۱۰٪) انجام ۴ مرتبه تست کفایت میکند. در نوبت اول وزنه آزمایشی در زاویه صفر درجه اضافه شده و سپس در مراحل ۲ تا ۴ همان وزنه به ترتیب به ۹۰ ۱۸۰ و ۲۷۰ نقل مکان میکند.

۳- نتایج حاصله از تمامی تستها بر نمودار برداری ترسیم شده و هر نقطه به نقطه نابالانسی اولیه متصل می شود. چنانچه رفتار سیستم خطی باشد، تک تک بردارهای به دست آمده بایستی هم طول بوده و از یکدیگر به اندازه 90 درجه اختلاف داشته باشند.

وزنه آزمایشی و بردار آزمایشی آنالیز ارتعاشات در بالانس

 جرم وزنه آزمایشی مورد استفاده بایستی به برداری آزمایشی منتج شود که به گونه ای از لحاظ طولی مشابه بردار نابالانسی اولیه باشد. اگر وزنه آزمایشی خیلی کوچک باشد می تواند منتهی به خطا در محاسبه جرم تصحیح کننده شود. چرا که دقت اندازه گیری و تکرارپذیری آنها تضمین نشده است و چنانچه وزنه آزمایشی خیلی بزرگ در نظر گرفته شود، ارتعاشات غیرخطی شده و خطاهائی در محاسبات به دنبال خواهند داشت.

هدف، انتخاب وزنه آزمایشی به گونه ای است که اگر کاهشی در دامنه ارتعاش را پدیدار نشود، افزایش قابل ملاحظه ای هم بر آن نداشته باشد. طول بردار مربوطه بایستی تقريبا مابین ۳۰٪ تا ۱۵۰٪ طول بردار اولیه نابالانسی باشد. دستگاه بالانس پیشرفته با عملکرد دقیق با بررسی تأثیر وزنه آزمایشی و نمایش پیغام مناسب نشان خواهند داد که آیا وزنه مورد نظر درست انتخاب شده است و یا بیش از حد کوچک (بزرگ) می باشد.

تبدیل جرم تصحيح (Correction mass conversion)

تصحيح بالانس می تواند با استفاده از وزنه های تصحیح قطبی و یا مؤلفه ای (Component) صورت پذیرد. در هر دو روش، وزنه های مربوط به نقاط سبکتر افزوده شده و یا از نقاط سنگین تر برداشته میشوند. هر دو شیوه تصحیح فوق نتایجی مشابه را در بر خواهند داشت.

تصحیح قطبی (Polar correction)

در این شیوه، تصحیح نابالانسی به مدد افزودن و یا کاستن جرم تصحیح کننده تنها در یک موقعیت زاویه ای، بسته به آنکه این نقطه «نقطه سبک و یا سنگین» روتور باشد صورت خواهد پذیرفت.

تصحيح مؤلفه ای در آنالیز ارتعاشات در بالانس (Component correction)

در تصحيح مؤلفه ای، نابالانسی با افزودن و یا کاستن وزنه های متناسب در دو یا چند موقعیت زاویه ای تصحیح می شود.

این شیوه از تصحیح در مواردی بکار می رود که:

• بتوان وزنه های تصحیح کننده را تنها در نقاط ثابتی که بسته به موقعیت زاویه ای خود مؤلفه نامیده میشوند قرار داد و یا کم کرد. (مثلا در پره های فن)
• زمانی که نقاط ثابت حین ساخت جزء گردنده بر روی آن تعبیه شده باشند (مثلا پیش بینی سوراخهای قلاویز شده جهت افزودن وزنه)

تصحيح مؤلفه ای، اصولا فرآیندی اقتصادی و بسیار دقیق است، چرا که به دلیل مشخص بودن نقاط قرار دادن وزنه های تصحیحی کار مکانیکی کمتری حین فرآیند بالانس مورد احتیاج بوده، درصد خطای ناشی از قرار دادن وزنه های تصحیح کار مکانیکی کمتری حین بالانس مورد احتیاج بوده، درصد خطای ناشی از قرار دادن وزنه ها و یا برداشتن آنها در موقعیت زاویه ای نادرست بسیار کاهش می یابد.

تصحيح جرم واحد در آنالیز ارتعاشات در بالانس(Unit mass correction)

آنالیز ارتعاشات در بالانس در پاره ای از ماشین آلات ، ۲، ۳ یا ۴ بلوک لغزان به جرم واحد (همسان) جهت تصحیح نابالانسی در دسترس می باشند. در این مورد یک جرم برای هر واحد لغزان پیشاپیش در نظر گرفته می شود و تنها موقعیت و تقسیم بندی زاویه ای مابین بلوکها تغییر می یابد. این شیوه نیز به نوعی، تصحیح مؤلفه ای به حساب می آید. اما این بار مکان قرارگیری وزنه ها ثابت نیست و به عوض از اجرام ثابت استفاده می شود.

در این روش جهت مشخص ساختن نابالانسی اولیه، ابتدا بلوکها در حالتی قرار می گیرند که آثار یکدیگر را خنثی کنند برای مثال چنانچه ۳ بلوک لغزان مورد استفاده قرار گیرند موقعیت زاویه ای نسبی آنها لاجرم” ۱۲۰ خواهد بود. برای انجام مرحله تست، دو یا چند بلوک لغزان به گونه ای قرار می گیرند که جمع برداری آنها همان اثر یک جرم آزمایشی را داشته باشد.

نتایج اندازه گیری شده نهایتا تحلیل گرافیکی با کامپیوتری شده و نتایج به دست آمده نشانگر موقعیت نهایی بلوکهای لغزان جهت تصحیح نابالانسی می باشد.

بالانس با استفاده از سنسور جریان گردابی (Balancing with an eddy current sensor)

در مبحث بالانس در محل می توان از ارتعاشات نسبی شفت به جای اندازه گیری ارتعاشات مطلق یاتاقان استفاده کرد. این ارتعاشات، در حقیقت جهت تعیین ارتعاشات نسبی مابین شفت روتور و پوسته یاتاقانها هستند.

جهت این اندازه گیری از سنسورهای جریان گردابی که حرکت نسبی شفت را در فاصله هوایی ۱ تا ۲ میلی متری نسبت به شفت بدون برقراری تماس با آن اندازه می گیرند استفاده میشود. این شیوه اندازه گیری عمدتا در ماشین آلاتی که جهت نمایش ارتعاشات و بررسی شرایط کاری آنها از یاتاقانهای نوع Journal استفاده می شود، کاربرد دارد.

سیگنال اندازه گیری شده از سنسور جریان گردابی شامل سه مؤلفه ذیل میباشد:

• ولتاژ DC متناسب با فاصله ایستایی مابین سنسور و شفت روتورها

• ولتاژ AC متناسب با حرکت شفت روتور به عنوان نتیجه ای از ارتعاشات

• ولتاژ AC تولید شده به واسطه دررفتگی

عبارت دررفتگی ترکیبی از تمامی خطاهائی است که در اندازه گیری یک خط اثر (Track) از شفت که ارتعاش را شبیه سازی می کند می باشد. این خطاها عبارتند از:

• انحرافات هندسی خط اندازه گیری از دایره ایده آل
• خارها، عدم یکنواختی در قطعه (ناهوموژنی) یا وجود حفره های کربنی در خط اثر
• میدان مغناطیسی پس ماند در خط اثر اندازه گیری

جهت حذف آثار ناشی از این خطاها، دستگاه پیشرفته بالانس، امکان تصحيح الکترونیکی در رفتگی را فراهم می سازند. جهت این امر ولتاژ AC از سنسور جریان گردابی در سرعت کارکرد پایین شفت (مثلا ۱۰۰ دور بر دقیقه) که طبعآ هیچ گونه ارتعاشاتی با مقادیر اسمی، احتمال ظهور ندارند، اندازه گیری و ذخیره می شود.

عوامل ایجاد نیروهای ارتعاش زا در ماشین آلات

• نامیزانی جرمی
• سایش اجزا و قطعات ماشین آلات
• نیروهای آیرودینامیکی و هیدرودینامیکی
• نیروهای الکترومغناطیسی
• تماس قطعات متحرک و ثابت
• اصطکاک

عیوب قابل شناسایی از طریق آنالیز ارتعاشات

• نامیزانی جرمی
• تشدید (رزونانس)
• لقی مکانیکی
• خرابی بیرینگ
• خرابی چرخ‏دنده
• فونداسیون معیوب
• اشکالات الکتریکی
• اشکالات آئرودینامیکی و هیدرودینامیکی
• خرابی کوپلینگ
• خرابی تسمه و پولی
• اشکالات پایپینگ
• شفت خمیده

چرا آنالیز ارتعاشات مهم است؟

استفاده از آنالیز ارتعاش در پایش وضعیت ماشین آلات و فن های صنعتی که با قابلیت اطمینان بسیار بالا، می توان ازوضعیت عملکرد ماشین آلات و عیب یابی آنها در اختیار متخصصین می دهد. آنها می توانند در کوتاه ترین زمان شروع به عیب یابی و تعمیرات کنند.