روش تنظیم پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات در ماشین آلات صنعتی

پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات جزئیاتی هستند که تعیین می کنند چگونه اندازه گیری انجام شود. به وسیله تعیین پارامترهای اندازه گیری تعیین می کنیم که داده ها قبل از اینکه وارد خروجی شده و به دست ما برسند چگونه جمع آوری و پردازش بشوند.

قبل از اندازه گیری ارتعاش لازم است پارامترهایی تعیین شوند که باید برای اندازه گیری به کار برده شوند. این مقادیر پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات چه هستند و معنی آنها چیست؟ از پارامترها برای اندازه گیری طیف های ارتعاشی استفاده میشوند و ممکن است به چهار گروه طبقه بندی شوند:

•   چگونه داده ها جمع آوری شده اند؟
• چه مقدار یا با چه سرعتی داده ها جمع آوری شده اند؟
• چگونه داده ها پردازش شده اند؟
• چگونه داده ها نمایش داده می شوند؟

در اندازه گیری ارتعاشات چگونه داده ها جمع آوری شده اند؟

پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات تعیین می کنند چگونه داده ها جمع آوری شوند از نوع تریگر هستند (trigger type ) و پارامترها در برنامه دستگاه لیست شده اند.

trigger type برنامه ای است که می گوید دستگاه چگونه اندازه گیری را شروع کند. اگر دستگاه بر روی اندازه گیری متوالی (free run) تنظیم شود، به صورت پیوسته اندازه گیری را انجام می دهد. اگر بر روی مود دستی (manual) تنظيم شود تنها یک سیکل اندازه گیری انجام میشود. در بیشتر موارد می توان دستگاه را روی حالت اندازه گیری متوالی تنظیم کنیم.

پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات sensor setup اطلاع می دهد که چه شتاب سنجی برای اندازه گیری استفاده شده است. اگر شتاب سنج مدل ICP تهیه شده و در کیت vb به کار برده شده باشد، نیاز است که کلید (drive current) بر روی on یعنی روشن قرار بگیرد.

همچنین، نیاز است که حساسیت شتاب سنج با مقدار تعیین شده بر روی کارت اطمینان کیفیت vb مطابقت داشته باشد. زمان نشست settling time زمانی است که قبل از اینکه اندازه گیری ارتعاشات ماشین آلات بتواند به درستی انجام پذیرد شتاب سنج و دستگاه برای نشست نیاز دارند. مقدار زمان نشست پیش فرض که براساس مقدار فرکانس ماکزیمم متغیر است باید برای اطمینان از دقت اندازه گیری به کار برده شود.

داده ها با چه مقدار و سرعتی جمع آوری می شوند؟

پارامترهایی که تعیین می کنند چه مقدار و با چه سرعتی داده ها جمع آوری شوند عبارتند از: پارامترهای فرکانس ماکزیمم، خطوط طیفی و همپوشانی. در مقاله تعریف ارتعاشات ماشین صنعتی اشاره کردیم که اگر فرکانس ماکزیمم بالاتر باشد ممکن است ، رنج بزرگتری از فرکانسها را ایجاد کند که اطلاعات آنها از طیف به دست آمده است ( البته فرکانس ماکزیمم بزرگتر سبب جمع آوری داده های بیشتر نمیشود و تنها عرض محدوده فرکانسی را افزایش میدهد.)

بنابراین اگر مقدار فرکانس ماکزیمم زیاد باشد، داده های نشان داده شده تا فرکانس های ارتعاشی بالا را نشان می دهد. برای به دست آوردن اطلاعات مربوط به فرکانس های بالایی ارتعاش نیاز است که فرکانس اندازه گیری یا نرخ داده های نمونه برداری نیز بزرگ باشد، یعنی فاصله بین باندهای اندازه گیری (خطوط طیفی) بیشتر می شود.

مثلا اگر دامنه اندازه گیری فرکانس بین صفر تا ۱۰۰۰ هرتز باشد، یعنی فرکانس ماکزیمم ما ۱۰۰۰ هرتز باشد فاصله بین باندها ۵ هرتز می شود، ولی اگر فرکانس ماکزیمم ۵۰۰۰ باشد فاصله باندهای ما 12.5 هرتز میشود. در نتیجه، مقدار داده های جمع آوری شده افزایش نمی یابد و تنها دامنه فرکانسی ما افزایش پیدا می کند و به علت زیاد شدن فاصله های بین خطوط طيفها سرعت داده برداری افزایش می یابد. در نتیجه، فرکانس ماکزیمم بالا سبب سریع تر شدن اندازه گیری می شود.

در مبحث پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات از طیفی که خطوط طیفی بیشتری دارد می توان اطلاعات بیشتری به دست آورد. این به این معنی است که اگر خطوط طیفی بیشتری وجود داشته باشد نیاز است تا داده های بیشتری برای ایجاد اطلاعات بیشتر جمع آوری شود و در نتیجه زمان اندازه گیری و داده برداری طولانی تر می شود.

چه مقداری برای فرکانس ماکزیمم باید در نظر گرفته شود؟

سرعت عملیات و بهره برداری بالاتر ماشین سبب بالاتر بودن فرکانس های ارتعاش خواهد شد و برای ضبط کردن رفتارهای ارتعاشی در آن فرکانس های بالا، فرکانس ماکزیمم بالاتری نیاز است.

برای ارتعاشات ماشین های دواری که دارای زبانه نیستند (مانند دندانه های چرخ دنده، پره های فن، پره های پمپ و المانهای بیرینگ)، معمولا برای نشان دادن کامل اطلاعات، مقدار فرکانس ماکزیمم تا ۱۰ برابر دور کاری ماشین مناسب است.

در پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات برای ارتعاشات ماشین آلات صنعتی که شامل زبانه یا دندانه هستند (مثل چرخ دنده ها، فن ها، پمپ ها و رولر بیرینگها معمولا برای نشان دادن تمام اطلاعات مورد نیاز مقدار فرکانس ماکزیمم به میزان سه برابر تعداد زبانه ها یا دندانه ها ضربدر سرعت کاری ماشین کافی است.

اگر مقدار فرکانس ماکزیمم خواسته شده خیلی بزرگ باشد قدرت تفکیک پذیری طیف پایین خواهد بود و اطلاعات مربوط به ارتعاشات با فرکانس پایین ممکن است گم شود و دیده نشود. ممکن است بعضی وقتها نیاز باشد که یک دستگاه را علاوه بر فرکانس ماکزیمم بالا با فرکانس ماکزیمم پایین هم چک کنیم.

خطوط طیفی چگونه باید استفاده شوند؟

چنانچه مقدار فرکانس ماکزیمم بزرگی به کار برده شود خطوط در طول دامنه فرکانسی بزرگی که ایجاد میشود پخش شده و در نتیجه فاصله بین خطوط زیاد می شود؛ به این معنی که ممکن است برای مقدار فرکانس ماکزیمم بزرگ، برای اینکه جزئیات از بین نرود، خطوط طیفی بیشتری مورد نیاز باشد.

اگرچه باید یادآور شد، تعداد خطوط بیشتر مستلزم صرف زمان داده برداری بیشتر و همچنین حافظه خالی بالاتر برای دستگاه لرزه نگاری است. فرکانس ماکزیمم بالا یا تعداد خطوط طیفی بیشتر تنها زمانی باید به کار برده شود که ضروری است.

داده های همپوشانی شده (روی هم افتاده، overlapping data) به معنی استفاده مجدد از درصدی از شکل موجهای اندازه گیری شده قبلی برای محاسبه یک طیف جدید است. درصد همپوشانی بالاتر سبب می شود که برای ایجاد طیف به دست آوردن داده های جدید کمتری نیاز داشته باشیم و در نتیجه میتوان طیف را سریع تر نمایش داد. برای بیشتر موارد ۵۰ درصد همپوشانی ایده آل است.

چگونه داده ها پردازش می شوند؟

دیگر پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات تعیین می کنند چگونه داده ها پردازش شوند عبارتند از: انواع میانگین ها، تعداد میانگین ها و نوع تابع ويندوپینگ (window type) .

زمانی که آنالیز ارتعاشات واندازه گیری انجام می شوند تعداد زیادی از طیفها اندازه گیری شده و برای به دست آوردن طیف میانگین از آنها میانگین گرفته می شود. طیف میانگین بهتر می تواند رفتارهای ارتعاشی دستگاه را نشان دهد، چراکه عملیات میانگین گیری اثرات ارتعاشات اتفاقی و پارازیت هایی که به صورت ذاتی در ارتعاشات ماشین وجود دارند را به حداقل می رساند.

پارامترهای مدل میانگین گیری (average type) تعیین کننده چگونگی میانگین گیری از طیف ها است. میانگین گیری خطی (linear) در بیشتر موارد توصیه می شود. میانگین گیری نمایی معمولا تنها در زمان هایی استفاده میشود که رفتارهای ارتعاشی به طور قابل توجهی برحسب زمان پراکنده باشد.

 پیک هلدها به طور واقعی میانگین گیری نمی شوند، اما سبب می شوند بدترین شرایط دامنه برای هر یک از خطوط طیفی نمایش داده شود.

پارامتر تعداد میانگین ها (number of averages) تعداد طیفهای پی در پی به کار برده شده را برای میانگین گیری تعیین می کند. مقدار بالاتر پارامتر تعداد میانگین های به کار رفته برای میانگین گیری سبب می شود که پارازیت های بیشتری صاف شده و از بین بروند و همچنین، پیکهای طیفی صحیح تری نمایش داده شوند.

هرچند که مقدار بالاتر این پارامتر نیاز به جمع آوری داده های بیشتر را می طلبد و در نتیجه، زمان بیشتری برای داده برداری صرف می شود. در بیشتر موارد مقدار چهار برای این پارامتر مناسب است.

چگونه داده ها در پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات نمایش داده می شوند؟

 پارامترهایی که تعیین می کنند داده ها چگونه نمایش داده شوند در زیر واحدهای نمایش (display units) لیست شده اند.

برای معین کردن اینکه چگونه طیف نشان داده میشود، نیاز است که مقیاس برای طیف تعریف شود. مقیاس طیف میزان سادگی نمایش جزئیات طیف را برای مشاهده تعیین می کند و به وسیله پارامتر مقیاس دامنه از قبیلvdB reference ،log range.velocity max تعریف می شود.

در بیشتر موارد، از پارامترهای اندازه گیری ارتعاشات ، پارامتر مقیاس دامنه می تواند خطی باشد. اگر مقیاس دامنه خطی به کار برده شود پارامترهای vdB reference,log range بی اثر میشوند و در نتیجه نیاز به تنظیم آنها نیست.

به طور معمول پارامتر حداکثر سرعت (velocity max) باید در حالت اتوماتیک تنظیم شود تا به دستگاه لرزه نگاری اجازه بدهد به طور اتوماتیک مقدار مقیاس دامنه را انتخاب کند تا بتوان پیکهای طیفی را به وضوح مشاهده کرد. برای تعیین کردن اینکه چگونه طیف نشان داده شود نیاز است تا نوع دامنه (amplitude type) نیز به عنوان یک پارامتر تعیین شود.

برای جلوگیری از تفسیر غلط داده ها توصیه میشود همیشه از یک نوع دامنه برای یک نقطه اندازه گیری خاص استفاده شود. یک تغییر وضعیت از دامنه rms به حالت دامنه پیک سبب ایجاد رشد کاذب در دامنه ارتعاش می شود که ممکن است اشتباها به بدتر شدن وضعیت یا خراب شدن ماشین تفسیر شود.

از سوی دیگر، یک تغییر وضعیت از دامنه پیک به دامنه rms می تواند سبب شود یک رشد درست و حقیقی در دامنه ارتعاش پنهان شود.در پایان نیاز است واحدهای دامنه و فرکانس استفاده شده برای طیف نیز تعیین شوند.

مهمترین ابزار اندازه گیری ارتعاشات

عباراتی که در زیر تعریف می شوند، ترکیبی از اصطلاحات واقعی و اصطلاحاتی که بر اساس قابلیت و تنظیمات توسعه یافته اند، را نشان می دهند.

ابزارهایی که معمولا برای اندازه گیری ارتعاشات استفاده می شوند به شرح ذیل می باشد:

شتاب

مقداری از دامنه ارتعاش که معمولاً در G مشخص می شود، نرخ زمانی تغییر سرعت است. بسیاری از ارتعاش سنج ها این مقدار را می خوانند، اما برای ایجاد تحمل و قدرت ارتعاش چندان مفید نیست. گاهی اوقات از شتاب برای نظارت بر تخریب یاتاقان ها استفاده می شود.

تعادل و بالانس

فرآیند اضافه کردن (یا حذف) وزن روی روتور به منظور حرکت مرکز ثقل آن به سمت مرکز چرخش است که یک یا چند صفحه در امتداد محور شفت ممکن است برای تعادل انتخاب شود. هدف از بالانس حذف نیروهای نابالانسی است که باعث ارتعاش می شود.

درجه کیفیت بالانس

 این اصطلاحی است که برای تعریف محدودیت های عدم تعادل و نابالانسی باقیمانده در بسیاری از استانداردهای بین المللی استفاده می شود. این نشان دهنده حاصلضرب خروج از مرکز (به میلی متر) برابر فرکانس کاری (بر حسب هرتز) است.

درجه کیفیت بالانس G6.3 برای اکثر فن های صنعتی مناسب است. درجه کمتر از G2.5 معمولاً فقط در تجهیزات بسیار ویژه قابل دستیابی است.

جابجایی

 این نشان دهنده حداکثر فاصله (و جهت) یک جسم ارتعاشی از موقعیت خنثی یا تحریک نشده آن است.

عدم تعادل دینامیکی  

 این نوع عدم تعادل و نابالانسی دینامیکی برای اصلاح ، به حداقل دو صفحه مختلف در امتداد شفت نیاز دارد. برای ایجاد یک عدم تعادل دینامیکی واقعی در یک چرخ فن گریز از مرکز، ابتدا وزنه ای را در سمت ورودی چرخ فن اضافه کنید. همزمان با چرخش وزنه دوم 180 درجه نسبت به وزنه اول، یک وزنه مساوی (در همان شعاع) در سمت عقب چرخ اضافه کنید. به این “عدم تعادل زوج” نیز می گویند.

گریز از مرکز

یکی از راه های نابالانسی، فاصله بین مرکز چرخش و مرکز ثقل اجزای چرخشی یک فن است.

 فیلتر

 لرزش، مانند صدا، از تعداد زیادی فرکانس مختلف تشکیل شده است. فیلتر وسیله ای است که برای جداسازی ارتعاش به اجزای جداگانه آن بر اساس فرکانس استفاده می شود. تمام ابزارهای ارتعاشی با کیفیت خوب راهی برای فیلتر کردن داده های ارتعاشی خواهند داشت.

FILTER IN

به لرزش اندازه گیری شده فقط در یک فرکانس اشاره دارد. معمولاً این فرکانس کاری (یا RPM) فن (یا موتور) است. خواندن “فیلتر کردن” با فیلتر تنظیم شده در سرعت عملکرد، پاسخ “1X” را اندازه گیری می کند.

FILTER OUT

 این به ارتعاش کلی یا مجموع تمام اجزای فرکانس (یا حداقل در محدوده بسیار وسیعی از فرکانس ها) اشاره دارد.

تکیه گاه انعطاف پذیر

 نوعی طراحی فونداسیون که معمولاً شامل استفاده از فنرها یا جداکننده های لاستیکی است. سطح ارتعاش در این نوع تکیه گاه بیشتر است زیرا مقاومت کمی در برابر حرکت وجود دارد.

طبق تعریف، یک ساپورت انعطاف پذیر اولین فرکانس طبیعی خود را بسیار کمتر از فرکانس کاری دارد.

فونداسیون

این جزء یک سیستم است که فن (یا فن و موتور) به آن متصل است. فونداسیون ها باید طوری طراحی شوند که از صلبیت کافی برای جلوگیری از تشدید (جایی که ارتعاش می تواند به طور چشمگیری تقویت شود) و برای حفظ  تراز مناسب همه اجزاء طراحی شوند.

فرکانس

 در ارتعاش، این تعداد چرخه های کامل حرکتی است که یک جسم در ثانیه (هرتز) یا در یک دقیقه (CPM یا RPM) حرکت می کند. (CPM = هرتز x 60)

MILS

 واحدی که برای اندازه گیری جابجایی استفاده می شود. یک میل برابر با 001/0 اینچ است.

فرکانس طبیعی

 فرکانسی که یک جسم در صورت رها شدن سریع از موقعیت تغییر شکل یافته به ارتعاش خود ادامه می دهد. هر فن دارای تعداد زیادی فرکانس طبیعی است. معمولا فرکانس های طبیعی را با یک “تست ضربه” اندازه گیری  می کنیم که در آن پاسخ ارتعاش پس از برخورد با چکش اندازه گیری می شود.

 PEAK

 اصطلاحی که در اندازه گیری جابجایی، سرعت و شتاب استفاده می شود که به حداکثر انحراف از صفر (یا مقدار دست نخورده) اشاره دارد.

PEAK TO PEAK (P-P)

اصطلاحی که به کل مسافت طی شده در یک چرخه ارتعاش اشاره دارد که فقط در اندازه گیری جابجایی استفاده می شود، به عنوان مثال، چهار میل P-P برابر با 2 میل پیک است.

نابالانسی باقیمانده

 مقدار نابالانسی باقی مانده پس از بالانس

رزونانس

 شرایطی که در آن یک فرکانس کاری (یا فرکانس هیجان‌انگیز دیگر) با یک فرکانس طبیعی منطبق است. ، منابع نسبتاً کوچک انرژی ارتعاش می‌توانند منجر به پاسخ‌های دامنه بزرگ شوند، زیرا انرژی ذخیره با هم جمع می‌شود.

تکیه گاه صلب

 یک نوع طراحی پی که معمولاً با یک دال بتنی با محافظی محکم مشخص می شود. طبق تعریف، یک تکیه گاه صلب باید آنقدر قوی باشد که اولین فرکانس طبیعی سیستم بسیار بالاتر از فرکانس کاری باشد.

RMS (ریشه میانگین مربع)

 استانداردهای بین المللی اغلب محدودیت هایی برای ارتعاش با استفاده از مقادیر RMS ارائه می دهند. ابزارهای ارتعاشی باید بتوانند ارتعاش را در یک دوره زمانی یکپارچه کنند تا به این مقدار برسند.

برای حرکت سینوسی مقدار RMS حدود 71 درصد از مقدار پیک است. به طور معمول فرض می شود که لرزش فن سینوسی است تا بین مشخصات تبدیل شود.

روتور

 این بدنه ای است که معمولاً درون یک جفت یاتاقان قادر به چرخش است که شامل چرخ فن، شفت، فلکه (یا کوپلینگ) فن و قسمتی از یاتاقان ها است که با شفت می چرخد.

سرعت

 در کار ارتعاش، سرعت اندازه گیری سرعتی است که یک جسم در طول حرکت چرخه ای خود حرکت می کند. این یک کمیت برداری است (هم دامنه و هم جهت دارد). حد معمول مشخصات ارتعاش 0.157 اینچ در ثانیه پیک فیلتر است واصطلاحی که به سرعت چرخش فن اشاره می کند که معمولاً بر حسب RPM ذکر می شود که به شرح ذیل است:

• سرعت  بالانس – سرعتی که روتور در آن بالانس می شود.
• سرعت طراحی – حداکثر سرعتی که می توان فن را به طور ایمن کار کرد.
• سرعت سرویس – سرعت فن در وظیفه عادی خود.

نابالانسی استاتیکی

شکلی از عدم تعادل است که می توان آن را با افزودن یک وزنه اصلاحی منفرد در مقابل نقطه سنگین روتور اصلاح کرد. عدم تعادل استاتیک را می توان با قرار دادن روتور روی لبه های چاقو و اجازه دادن به نقطه سنگین از پایین تشخیص داد. عدم تعادل دینامیکی را نمی توان با این روش تشخیص داد.

حالت بالانس

این به تعادلی اشاره دارد که روی مجموعه فن انجام می شود (حتی اگر اجزای جداگانه قبلاً بالانس شده باشند). عدم تعادل جزئی ناشی از تناسب بین قطعات را جبران می کند.

مجموعه سه محوری

این اصطلاح به روش معمول در گرفتن سه قرائت ارتعاش در هر یاتاقان اشاره دارد. مبدل ارتعاش طوری قرار گرفته است که هر قرائت جهتی عمود بر دو قرائت دیگر دارد. (به طور معمول قرائت های افقی، عمودی و محوری گرفته می شود.)

عدم تعادل

نابالانسی وضعیت یک روتور که منجر به اعمال نیروهایی به یاتاقان های نگهدارنده آن در هنگام چرخش روتور می شود.

دامنه ارتعاش (یا سطح ارتعاش)

 برای فن ها، معمولاً به بزرگی حرکت ارتعاش در یاتاقان یا روی  یاتاقان های فن اشاره دارد. معمولاً بر حسب واحد جابجایی یا سرعت داده می شود. هنگامی که در “اوج در ثانیه” داده می شود، حداکثر سرعتی که یاتاقان در طول یک چرخه حرکت حرکت می کند مشخص می شود.

یک تکنیک ریاضی به نام تبدیل فوریه سریع (FFT) برای تولید این طیف ارتعاش استفاده می شود.

مبدل ارتعاشی

وسیله ای است که برای حس کردن حرکت ارتعاشی و تبدیل آن به سیگنال به منظور اندازه گیری استفاده می شود.