Tilstandskontrol. ved hjælp af vibrationsanalyse

Transkript

1 VIBRO CONSULT Palle Aggerholm Tilstandskontrol ved hjælp af vibrationsanalyse Et minikursus med særlig henvendelse til vindmølleejere Adresse: Balagervej 69 Telefon: Mobil: DK 8260 Viby J. Telefax:

2 At lave tilstandskontrol på en maskine vil sig at følge dens tilstand over tiden. Formålet er først og fremmest at detektere, om der er fejl under udvikling. Til dette formål er vibrationsmåling det vigtigste og mest effektive værktøj. Processen starter med at måle på maskinen, når den er i driftsmæssig god tilstand. Denne måling defineres som reference for alle følgende målinger. Herefter måler man på maskinen med regelmæssige intervaller for at følge med i, om der sker ændringer i vibrationsniveauet. Forudsat at maskinen kører under samme driftsbetingelser under målingerne, vil enhver ændring i vibrationsniveauet være tegn på en ændring af maskinens tilstand og dermed også tegn på en mulig fejludvikling. Der vil imidlertid altid være mindre udsving i måleværdierne fra gang til gang, uden at det nødvendigvis betyder fejl. Det er derfor praktisk at indlægge en grænse (f.eks. en faktor 2,5), under hvilken man ikke bekymrer sig om udsvinget. Først når niveauet viser en konstant stigning fra gang til gang skal alarmklokken tændes. På dette tidspunkt vil det være en god ide at gøre måleintervallerne mindre. Man kan derved med langt større sikkerhed forudsige, hvornår maskinen risikerer at havarere. Det kan være svært at sætte grænser for, hvor højt niveauet kan stige, før maskinen havarerer, men som tommelfingerregel vil en faktor 10 være en udmærket grænse for, hvor længe man bør køre med maskinen. Den viste graf kan være fremkommet både ud fra en bredbåndsmåling, som er et mål for den samlede energi i signalet, men kan også være niveauet på en enkelt frekvenskomponent i et frekvensspektrum. Princippet er det samme i begge tilfælde. 2

3 Vibrationssignaler fra roterende maskiner er oftest meget komplekse signaler. Men uanset, hvor komplekse de er, kan de altid opløses i en lang række sinusformede signaler. Eller sagt på en anden måde: Ethvert vibrationssignal fra en roterende maskine består af en lang række sinusformede signaler. Hvert af disse signaler har sin egen frekvens et bestemt antal svingninger pr. sekund (Hz). I nærværende figur består det sammensatte signal af tre forskellige sinussignaler. De har hver sin frekvens og hver sit niveau. Det røde signal har 4 svingninger pr. sek., det blå signal har 8 svingninger pr. sek. og et grønne signal har 12 svingninger pr. sek. Disse tre frekvenser afsættes i frekvensdiagrammet med sine respektive niveauer og danner nu et simpelt frekvensspektrum af det sammensatte signal. 3

4 Hvad er formålet med at lave frekvensanalyser i forbindelse med tilstandskontrol af roterende maskiner? Ideen med frekvensanalysen er, at man kan relatere hver eneste roterende del af maskinen til ganske bestemte frekvenser i frekvensspektret. 1. Motoren kører med 3000 o/min = 50 Hz. Som alle roterende maskiner har den en større eller mindre ubalance, som resulterer i et bestemt vibrationsniveau. Dette niveau er afsat som en top i spektret ud for 50 Hz. 2. Motoren trækker, gennem et gear, en arbejdsmaskine, lad os kalde den en pumpe. Tandhjulet på indgangsakslen har 40 tænder. Disse tænder griber ind i deres modpart 40 gange for hver omdrejning af akslen, det vil sige 40 x 50 = 2000 gange pr. sek. svarende til 2000 Hz eller 2 khz. Denne frekvens kaldes tandindgrebsfrekvensen. Niveauet på denne frekvenskomponent afhænger af, hvor hårdt tænderne slår mod hinanden og er derfor belastningsafhængigt. 3. Gearet har jo til formål at sænke hastigheden på pumpehjulet, f.eks. til 12,5 Hz. Dette hjul har ligesom motoren en ubalance med et bestemt niveau. Niveauet af denne ubalance afsættes som en top ud for 12,5 Hz. 4. Pumpehjulet har 8 skovle. Disse skovle passerer et bestemt punkt i pumpehuset 8 gange pr. omdrejning svarende til 8 x 12,5 = 100 Hz. Dette kaldes pumpens skovlfrekvens. Niveauet på denne frekvens afhænger af pumpens konstruktion og belastning og afsættes som en top ud for 100 Hz. 5. Maskinens lejer (rulningslejer) opfører sig på tilsvarende måde i spektret, idet kugler og ruller frembringer frekvenser som er afhængige af, hvor hyppigt en fejl i ringene passeres af rulleelementerne eller en fejl i rulleelementerne rammer en ring. 4

5 Når man skal benytte frekvensspektret til at pege på, hvor i maskinen en given fejl er ved at udvikle sig, er det meget væsentligt at kende sin maskine i detaljer. Man skal bl.a. kende omløbstal, lejetyper og fabrikat samt tandantal. Som vist på billedet har hver roterende maskindel sit eget frekvensspektrum, som hver især er er forholdsvis simpelt og kan bestå af f.eks.: Omløbstal inkl. harmoniske (2 x -, 3 x -, 4 o.s.v. x omløbstallet). Tandindgrebsfrekvens inkl. harm. (2 x -, 3 x -, 4 o.s.v. x tandindgrebsfrekv.). Et lejes fejlfrekvens inkl. harm. (2 x -, 3 x -, 4 o.s.v. x fejlfrekvensen). Desværre vises alle disse spektre på samme tid med større eller mindre vægt afhængigt af, hvor på maskinen der måles. På en så kompleks maskine som denne vindmølle vil de målte frekvensspektre naturligvis også blive komplekse. Men om spektrene er mere eller mindre komplekse er i virkeligheden mindre væsentligt. Det vigtigste er at holde øje med spektrene fra tid til anden og holde øje med, på hvilken eller hvilke frekvenskomponenter, der sker ændringer ud over den vedtagne varselsgrænse. Med et indgående kendskab til maskinen er det herefter relativt simpelt at se, om den frekvenskomponent, der er vokset, kan relateres til kendte dele af maskinen. 5

6 Dette frekvensspektrum er en optagelse fra det virkelige liv. Det er målt på gearkassen fra før. Her kan man tydeligt se alle tandindgrebsfrekvenserne og i øvrigt også deres harmoniske. Disse er dog ikke markeret. 6

7 På dette billede ses to grafer fra gearkasse fra før. Øverst er vist udviklingen af niveauet på planetgearets tandindgrebsfrekvens (41 Hz). De enkelte niveauer kan sammenholdes med møllens belastning på det givne tidspunkt, hvilket kan give et overblik over, om niveaustigning skyldes reel slitage af gearet, eller om niveauet blot følger belastningen. 7

8 Hvorfor er det så vigtigt at foretage en frekvensanalyse i forbindelse med tilstandskontrol? Ideen med tilstandskontrol er jo at få et varsel om fejl i så mange maskindele som muligt. Dette kan man kun, hvis man kan trække så mange informationer ud af spektret som muligt. Derfor er det vigtigt, for det første at måle i et så bredt frekvensområde som muligt, og for det andet at følge udviklingen at de frekvenskomponenter, som har et meget lavt niveau i forhold til dem med et højt niveau. Man skulle jo umiddelbart forestille sig, at eksempelvis vibrationer fra et tandindgreb vil have et meget højt niveau, da der her overføres meget store kræfter mellem to maskindele. Det har de da som regel også, men ikke nødvendigvis altid. Det man måler på maskinens overflade er jo et vibrationsniveau. Dette niveau er ikke nødvendigvis proportionalt med de kræfter, som optræder inde i maskinen. Maskinens struktur har nemlig forskellig evne til at overføre vibrationer afhængigt af, hvor på maskine man måler den har forskellig mobilitet (evne til at blive sat i bevægelse). Hvis maskinen tilfældigvis har en meget lav mobilitet omkring tandindgrebsfrekvensen, vil dennes niveau målt på overfladen af maskinen være meget lille, så hvis ikke man foretager en frekvensanalyse, vil man måske opdage en eventuel niveaustigning for sent. 8

9 Billedet viser et konstrueret frekvensspektrum fra en gearkasse. Hvis der sker en fejl i dette gear, f.eks. et slidt tandindgreb, vil tandindgrebsfrekvensen vokse mere og mere med tiden. Hvis man i forbindelse med tilstandskontrol benytter et bredbånds-måleinstrument, vil man på instrumentet aflæse de måleværdier, som de vandrette linier øverst i grafen angiver. Disse linier er et mål for det totale energiindhold i spektret, sædvanligvis målt i frekvensområdet: Hz. Den grønne kurve svarer til referenceniveauet. Med tiden stiger tandindgrebsfrekvensens niveau til orange, over brun og lilla til blå kurve. Samtidig ses det, at det totale niveau først stiger målbart, når niveauet er nået op på lilla niveau eller højere. Det betyder med andre ord, at man med bredbåndsmåleinstrumentet først opdager fejlen på et meget sent tidspunkt, muligvis så sent at gearet havarerer, uden at man har fået et forvarsel. Meningen med at lave tilstandskontrol er jo netop, at man skal have et forvarsel, inden det går galt. Det er derfor vigtigt, at man benytter bredbåndsmåleinstrumenter med omtanke