Trillingsmetingen

Een ideale machine produceert geen trillingen, alle energie wordt benut voor de taak waarvoor de machine is ontworpen. In de praktijk echter trilt een machine door slijtage ten gevolge van het gebruik. Deze trillingen bevorderen weer slijtage en defecten kunnen versneld optreden. Zolang de uitgeoefende krachten constant zijn, of binnen bepaalde grenzen varieëren, zullen de gemeten trillingen niet veranderen. Daar komt nog bij dat machines die in goede conditie verkeren, de trilling een typische waarde heeft en het frequentiespectrum een karakteristieke vorm bezit. Dit frequentiespectrum wordt wel het trillingspatroon genoemd en wordt verkregen door het trillingssignaal in frequentie te analyseren. Wanneer defecten zich beginnen te ontwikkelen veranderen de dynamische processen en sommige van de krachten die op bepaalde onderdelen worden uitgeoefend, waardoor het niveau en het patroon van de trillingen ook worden beïnvloed.
Het feit dat trillingssignalen veel informatie bevatten over de conditie van een draaiende machine, is het beginsel dat aan het gebruik van analyse en metingen ten grondslag ligt.

Elke machine (asset) die daarvoor in aanmerking komt wordt periodiek bemeten en er wordt alleen onderhoud uitgevoerd als uit de metingen blijkt dat dit nodig is. Dit is het principe van toestandsafhankelijk onderhoud.

Meetapparatuur

  • Breedbandmeters
  • Frequentie-analysemeters

Breedbandmeters geven een meetresultaat in effectieve en/of piekwaarde van de versnelling of snelheid over een frequentiegebied van 10 tot 10.000 Hz of 10 tot 1000 Hz. Aflezingen in effectieve snelheid moeten worden vergeleken met een tabel waaruit dan blijkt of de gemeten waarde toelaatbaar is of dat er onderhoud gepleegd dient te worden. Het gemeten niveau wordt hier bepaald door de overheersende frequentiecomponenten, die natuurlijk van belang zijn.
Maar wanneer ditzelfde signaal in frequentie wordt geanalyseerd en het spectrum geregistreerd, dan wordt het niveau van veel meer, mogelijk belangrijke frequenties zichtbaar. Frequentie componenten met lage niveaus kunnen het resultaat zijn van grote krachten.
Frequentie-analysemeters werken met een kleine bandbreedt waardoor het mogelijk wordt:

  • Detectie: een zich ontwikkelend defect in een vroeg stadium te detecteren;
  • Diagnose: uit de frequentie waarbij het defect zich ontwikkelt kan men afleiden welke onderdelen aan het slijten zijn. Onbalans, uitlijning, lagerschade, tandwielbeschadigingen etc. zullen voor ieder meetpunt hun eigen karakteristieke frequentie bezitten die met behulp van frequentie-analyse afzonderlijk bekeken kunnen worden;
  • Voorspellen: met het uitzetten van de niveautoename van één of meerdere frequenties over een aantal periodieke metingen, verkrijgt men een tijd-niveau diagram. De resulterende kromme kan in de tijd worden geëxtrapoleerd, waarmee duidelijk wordt wanneer het trillingsniveau een gevaarlijke waarde zal bereiken, zodat voor die tijd het noodzakelijke onderhoud kan worden gepland.

Bij trillingsmetingen maakt men onderscheid tussen rotor gerelateerde frequenties en niet rotorgerelateerde frequenties.

Rotor gerelateerde frequenties zijn frequenties die te maken hebben met het toerental van de machine. Een onbalans in een machine zal op één maal het toerental van de machine te zien zijn. Een waaier van een pomp met drie schoepen zal per omwenteling drie drukpulsen afgeven en is in het spectrum zichtbaar op de derde harmonische van het toerental.

Niet-rotorgerelateerde frequenties zijn in het spectrum niet te zien op de harmonischen van het toerental maar juist daar tussen in. Een bekend voorbeeld daarvan zijn defecte wentellagers. Als er dus een piek gaat ontstaan tussen de harmonischen van het toerental dient men alert te zijn op wentellagerschade. Een ander geval is een defecte v-snaar waarvan men de frequentie kan vinden op het toerental van de snaar zelf. Nader onderzoek van de snaar met een stroboscoop geeft hier uitsluitsel.

Tachtig procent van de storingen bij roterende machines worden veroorzaakt door defecte wentellagers. Belangrijk is dan te weten waar deze frequenties kunnen worden verwacht of omgekeerd, is een gemeten piek te wijten aan een defect lager. Defecten van buitenring, binnenring en wentellichaam liggen elk op een andere frequentie en deze frequenties zijn afhankelijk van de steekdiameter van de wentellichamen, de diameter van de wentellichamen, het aantal wentellichamen, het toerental per seconde en de eventuele contacthoek. Er zijn lagercalculators in de handel waar men het type lager en het toerental kan invoeren waarna de frequenties worden berekend. Zelf heb ik een excel sheet gemaakt waarmee deze berekeningen kunnen worden gemaakt. Deze kunt u downloaden als u de cursus aankoopt. In de witte velden voert men de gegevens in en rechts ziet men dan de foutfrequenties.

Enige termen die in Engelstalige calculators worden gebruikt:
BPFI – Ball Pass Frequency Inner Race = Defecten Frequentie van de binnenring
BPFO – Ball Pass Frequency Outer Race = Defecten Frequentie van de buitenring
BSF – Ball Spin Frequency = Defect Frequentie van het wentellichaam

Het spreekt vanzelf dat men, om trillingsmetingen te kunnen beoordelen, gedegen kennis dient te bezitten van de gemonitorde machine(s). Dit houdt in dat men een studie dient te maken van de specificaties en constructietekeningen zodat assnelheden, aantal tanden van tandwielen, aantal elementen in lagers, type lagers enz. op een machinekaart kunnen worden genoteerd. Met eenvoudige berekeningen kunnen deze waarden dan worden herleid naar karakteristieke frequenties en genoteerd als referentie voor later gebruik. Er is nog een excel-sheet met daarop de meest voorkomende defecten en hun bijbehorende karakteristieke frequentie. Voor iedere machine, opgenomen in het bewakingsprogramma, moeten deze frequenties worden berekend. Deze tabel is bij de cursus inbegrepen.

In welke eenheden wordt gemeten?
De meeste meetapparatuur is uitgerust met een versnellingsopnemer. Het is mogelijk versnelling a  in mm/s² , de snelheid v in mm/s en de verpaatsing d in mm te meten. Uit gewoonte hebben de meeste technici een voorkeur om in een bepaalde eenheid te meten. Maar laten we het deze keer eens zuiver technisch bekijken. In onderstaande grafiek ziet men van de drie verschillende meeteenheden een typisch trillingsspectrum op logaritmische assen.

Trillingsspectra

Duidelijk is te zien dat de hellingshoeken van de drie spectra verschillen, de pieken op dezelfde frequenties voorkomen en de hoogte van de pieken ten opzichte van de helling voor alle spectra gelijk is. Elk van de afgebeelde curven geeft dus een even getrouw beeld van het trillingsspectum. Er is een eenvoudige wiskundige relatie tussen de curven zodat elke waarde behorend bij een frequentie in het ene spectrum kan worden omgerekend naar een waarde voor dezelfde frequentie in een ander spectrum. Zoals te zien is de amplitude-omvang van het snelheidsspectrum het kleinst en neemt het kleinste dynamisch bereik van het meetsysteem in beslag, zodat de signaal/ruis verhouding het meest gunstig is.  Dit betekent dat een relatief kleine verandering in de frequentiecomponent het totale trillingsniveau beinvloed. De meeste componenten in de andere spectra moeten veel meer veranderen voor dit merkbaar wordt in het totale niveau. De conclusie is dat in het algemeen dat de meeteenheid die het vlakste spectrum oplevert het “gevoeligst” is voor vroege detectie van defecten. Meestal is dit snelheid, soms versnelling vooral waar hoge frequenties van belang zijn. Als daarentegen bekend is dat vooral lage frequenties bewaakt moeten worden dan kiest men verplaatsing.

Het blijkt dat bij veel bedrijven de kennis van trillingsmetingen en de relatie tot onderhoud niet of nagenoeg niet aanwezig is. Kennis van dit type monitoring bespaart enorm op onderhoudskosten. Indien gewenst kan ik u helpen de kennis van uw technici te verhogen. Zie mijn website.

In bepaalde toepassingen genereren lagerschades te weinig trillingsenergie om betrouwbare detectie in het frequentiespectrum toe te laten. Dit is het geval bij:

  • machines met aanzienlijke massa en stijfheid
  • machines met lage toerentallen.

In dergelijke gevallen wordt een methode van hoogfrequente envelop techniek toegepast, waardoor de lagerschade wel hoogfrequente trillingen genereert. Deze trillingen zijn echter meestal alleen meetbaar nabij het defecte lager en zijn van zeer korte duur.

Meting laag toerental met defect lager

In bovenstaand plaatje (klik voor groter) ziet men in de bovenste tekening het lage toerental met daarop de  frequentie van een defect lager gesuperponeerd. Bij lage toerentallen ziet het frequentiespectrum er uit zoals rechts boven. Toerental is te zien maar de foutfrequentie niet. Dit signaal dient bewerkt te worden om het defecte lager zichtbaar te maken. Als eerste gaat het signaal door een hoog doorlaatfilter. Dit filter laat de hoge frequenties door en blokkeert de lage frequenties. De BPFO van het lager wordt zichtbaar op een rechte lijn. Dan wordt het signaal gelijkgericht en tenslotte wordt de gelijkstroom component weggefilterd. Nu kan het BPFO worden gedetecteerd. In de figuur rechts onder ziet men de BPFO en de harmonischen. De laagfrequent component van het toerental is niet meer zichtbaar.

Deze situatie doet zich onder andere voor bij wentellagers in de droogpartij  van langzaam draaiende kartonmachines. (0,3 Hz)

 

6 Reacties op “Trillingsmetingen

  1. Niet 80% van de storingen worden veroorzaakt door defecte lagers.
    99, 9 % van de machinegedragingen en in de bron, belasting en omgevings invloeden veroorzaken lagerschade. Een lager in een perfecte ogeving kan w.b.v. spreken onbeperkt doordraaien.

    • Defecte lagers zijn meestal een gevolg van andere onvolkomenheden in een machine zoals onbalans en onjuiste uitlijning e.d. Lagers zelf kunnen defect raken door een verkeerd gekozen spelingstolerantie in het lager, b.v. C2 i.p.v. C3, metaalmoeheid t.g.v. overbelasting en andere van buitenaf werkende krachten op de machine. Het is daarom van wezenlijk belang d.m.v. trillingsmetingen de oorzaak van een lagerdefect op te sporen en deze te elimineren. Al deze onvolkomenheden leiden op den duur tot defecte wentellagers die, indien niet tijdig opgemerkt, voor ongeplande stilstanden zorgen en dat is in 80% van de storingen het geval.

  2. Dag Henk, verrast dat ik zo wat van je verneem. Ik ben Marinus Regelink en ken je nog van Sollid Pack. Ik kwam op je site omdat ik naar uitleg zocht over een frequentiespectrum. Ik geef namelijk les aan onderhoudsmonteurs in Deventer.
    Mijn mail is M. Regelink(at)outlook.com
    Een fijn 2015 toegewenst.

  3. Zeer interessant omdat ik voor mijn werk nu ga beginnen met trillingsmetingen op elektromotoren!!

  4. Interessant, Ik geef les aan monteurs van landbouwmachines, Ook daarin speelt dit onderwerp. Het is een nuttig onderwerp voor een paar lessen. Immers er zijn tegenwoordig grote machines met veel draaiende delen. Denk aan een 8 rijige aardappelrooier, een 9 meter brede maaier met kneuzer, Goed onderhoud aan deze machines is van essentieel belang, Immers de machines kosten veel, werken in zware omstandigheden met bv grond in de geoogste producten en moeten werken als het er op aan komt.
    Als je z’n dergelijke meetinstrumenten hebt, nodig ik je een keer uit op school. (of die huren we)
    Ik geef les aan Aventus landbouwtechniek te Apeldoorn. Wij als Aventus hebben de grootste monteursopleiding van Nederland. Meer als de helft van alle studenten in de landbouwmechanisatie heeft les gehad van de Aventus opleiding. 28 januari is er open dag. Je mag gerust komen kijken.

    Marinus Regelink

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s