Основи й технологія

Гармонійне коливання можна описати математично за допомогою синусоїдальної функції. Ось деякі змінні, що впливають на коливання:

Період T — це час, необхідний для здійснення повного циклу. Величина, обернена до періоду, називається частотою (f = 1/T). За швидкості обертання двигуна в 3000 обертів за хвилину обертання повторюється кожні 20 мс (період T), що відповідає частоті 50 Гц.

Амплітуда А стосується максимального зміщення коливання від положення рівноваги. Існують різні поняття, які можна використовувати у зв'язку з амплітудою. Крім класичного пікового значення (= амплітуда, пік), двома поширеними показниками є середньоквадратичне значення (= значення RMS) й амплітуда вібрації (= 2x амплітуда, пік-пік).

Фаза стосується зміщення в часі періодичного явища, наприклад синусоїди, від контрольної точки (наприклад, імпульсу енкодера). У нашому випадку фаза є важливим показником для балансування системи, що обертається, з метою визначення положення противаги.

На практиці багато різних гармонійних коливань перекриватимуться, тому окремі синусоїдальні функції зазвичай уже не будуть ідентифіковані в часовому сигналі.

Часова область

Під час аналізу вібрації в часовій області складний накладений сигнал вібрації наноситься на часову вісь. Домінуючі перехідні сигнали або закономірності, що виникають у часовому сигналі, можна використати, щоб зробити висновки про пошкодження.
Наприклад, пошкодження підшипника на ранній стадії призводить до появи голчастих періодичних амплітуд у часовому сигналі.

Середньоквадратичне значення (RMS) і пікове значення є загальними параметрами стану, що використовуються в часовій області.
Наприклад, під час моніторингу вібрації середньоквадратичне значення швидкості вібрації (v-RMS) використовується для визначення дисбалансу, неспіввісності й ослаблення, а середньоквадратичне значення прискорення вібрації (a-RMS) використовується для визначення тертя або недостатнього змащення в зубчатих передачах або підшипниках.
Загальним показником для пікових значень є пікове значення прискорення вібрації (a-peak), яке представляє перехідні події, наприклад, унаслідок пошкодження підшипника або раптового збою в машині.

Частотна область

Під час аналізу вібрації в частотній області складний часовий накладений сигнал розкладається на різні частотні компоненти й амплітуди за допомогою Швидкого перетворення Фур'є (ШПФ). Це дає змогу швидко й чітко визначити домінуючі частоти, як-от частоту дисбалансу суміші вібрацій.

Особливою формою ШПФ є спектр огинаючої кривої (= Г-ШПФ), де періодичні ударні імпульси (наприклад, пошкодження підшипника кочення), які стимулюють власну частоту системи, демодулюються та відповідно попередньо фільтруються. Особливо у випадку підшипників кочення або складної кінематики машин (наприклад, зубчатих передач) перевага аналізу Г-ШПФ полягає в тому, що можна чітко розпізнати повторювані частоти ударних імпульсів пошкодженої деталі.

Широкосмугове вимірювання

Широкосмугові вимірювання реєструють й аналізують весь частотний діапазон сигналу, включно зі всіма частотними компонентами. Вимірювання проводяться в широкому діапазоні частот (наприклад, 2...1000 Гц), і на їх основі розраховуються параметри стану (наприклад, середньоквадратичне значення швидкості вібрації v-RMS), що передаються в режимі реального часу для моніторингу стану.

Вузькосмугове вимірювання

Вузькосмугові вимірювання проводяться тільки у вузькому діапазоні частот або на певних частотах у межах загального спектру. Їх часто використовують там, де є особливий інтерес до певного частотного компонента (наприклад, частот підшипників кочення) або до певного діапазону частот.

Вібраційне зміщення d

Вібраційне зміщення — це фактична відстань, на яку точка вимірювання зміщується від свого первинного статичного положення. Цей параметр використовується для виявлення циклічних рухів у системі, наприклад, руху конвеєра або стану демпфуючих елементів вібраційного конвеєра. Зазвичай вібраційне зміщення реєструється в діапазоні частот нижче 500 Гц.

Швидкість вібрації, v

Швидкість вібрації, особливо середньоквадратичне значення є хорошим індикатором енергії, що діє на машину. Зокрема дисбаланс, ослаблення, неспіввісність або проблеми з ременем можуть призвести до збільшення v-RMS. Ці застосування зазвичай мають діапазон частот 2...1000 Гц (відповідно до стандарту ISO 10816-3 або ISO 20816-3).

Вібраційне прискорення, a

Значення широкосмугових високочастотних характеристик, як-от a-peak або a-RMS, є встановленими індикаторами пошкодження підшипника, тертя, стирання або кавітації. Особливо на ранніх стадіях пошкодження високочастотні піки прискорення не потрапляють до діапазону частот ISO 20816. Отже, прискорення вібрації особливо корисне як ранній індикатор короткочасних ударних імпульсів, що виникають через початкове пошкодження підшипника або несправність зубів шестерень.

Крест-фактор

Спеціальним параметром вимірювання вібраційного прискорення є крест-фактор. Він розраховується за допомогою поділу пікового значення на середньоквадратичне значення:
Пік = a−peak / a−RMS

Крест-фактор корисний для оцінки пошкодження підшипника. Особливо на ранніх стадіях пошкодження підшипника елементи кочення, що періодично проходять через точкову корозію, спричиняють короткочасні вібраційні удари. Ці ударні імпульси призведуть до збільшення піку прискорення. Однак на цьому етапі значення a-RMS залишиться відносно невеликим. У міру прогресування пошкодження частота появи точкової корозії та інтенсивність ударних імпульсів збільшуватимуться, що призведе до збільшення a-RMS. Особливо на цьому початковому етапі між високими значеннями a-peak і низькими значеннями a-RMS, крест-фактор є корисним додатковим індикатором для раннього виявлення пошкодження підшипника, оскільки крест-фактор також має бути високим на цьому етапі й поступово знижуватиметься зі зростанням значень a-RMS.

Одноосьове й багатоосьове вимірювання

У більшості випадків достатньо одноосьового вимірювання вібрації, оскільки основна вібрація виникає в радіальному напрямку від валу.
Однак триосьові вимірювання можуть мати вирішальні переваги з точки зору функціональності, гнучкості й вартості.

Наприклад, залежно від кінематики й конструкції машини жорсткість машини може бути різною за інтенсивністю та характеристиками в осьовому, горизонтальному чи вертикальному напрямку. Вимірювання за трьома осями забезпечують гнучкість монтажу й цілеспрямовано фіксують усі три вимірювання, враховуючи різні вібраційні впливи.
Крім того, певна геометрія машини й характер несправностей суттєво впливають на напрямок розвитку пошкоджень. Наприклад, неспіввісність валів може домінувати в осьовому чи радіальному напрямку, або дисбаланс/удари можуть мати різні переважні напрямки залежно від геометрії машини.

Власна частота — це певна частота всієї системи, яка змушує систему коливатися з великими амплітудами навіть за незначного хвилювання. Резонанс виникає, коли частота хвилювання чи кратна їй частота збігається з власною частотою системи.

Уся система має кілька власних частот, що означає, що хвилювання може спричинити кілька резонансів. Наприклад, загальна система, що складається з електродвигуна й датчика вібрації, має різні власні частоти, тому сигнал прискорення датчика може містити резонанс двигуна, а також власний резонанс.
Власна частота системи визначається її масою та жорсткістю. Демпфування системи визначає посилення хвилювання на власній частоті.