Forord. Hosstående kompendium er et værktøj, der er tænkt brugt til flere formål. Det vigtigst er som materiale til undervisningen på maskinmesteruddannelserne på landets maskinmeterskoler og skibsofficerscentre. Det er håbet at vi gennem dette materiale kan være med til yderligere at højne maskinmesteruddannelsen til gavn for såvel de uddannede som for alle de mange forskellige virksomheder, hvor i de finder beskæftigelse. Vibrationsanalyse er efter forfatternes mening et forsømt område, og vi håber, at vi kan være med til at råde bod på dette. Det er også et håb at kompendiet vil kunne finde anvendelse af andre både som læringsværktøj, men også som et opsalgsværk ved kommende opgaver. Her tænkes især på alle de mange praktiske eksempler, der beredvillig er stillet til rådighed fra erfarne vibrationsanalytikere. Det økonomiske grundlag for arbejdet er skabt gennem en bevilling fra Søfartsstyrelsen i et forsøg på at få noget undervisningsmateriale, som kan bruges på de institutioner, som denne styrelsen er ressort for. Søfartsstyrelsen fortjener ros for sin fremsynethed ved at støtte dette projekt. Basis for projektet er mange års kursusvirksomhed på Fredericia Maskinmesterskole indenfor netop dette fagområde samt et samarbejde mellem Århus Maskinmesterskole og Fredericia Maskinmesterskole. Der har været rigtig mange virksomheder, der har bidraget med materiale til dette kompendium, og dette ønsker vi naturligvis at rette en stor tak for. Vi er ikke i tvivl om, at det vil være til gavn for alle parter. Følgende har bidraget med materiale samt inspiration: Brüel & Kjær Vibro - Danmark Vibro Consult Danmark ABB - Danmark DLI Engineering Corporation - USA ISE Srl Industrial Service Engineering - Italien ilaern Vibration Modius - Australien Rockwell Automation England Tampara University Finland Kompendiet vil primært blive udgivet på CD form og ville være tilgængelig både på Fredericia Maskinmesterskoles hjemmeside og Den Danske Vedligeholdsforening. Som tillæg til kompendiet vil der være power point materiale, der understøtter de forskellige afsnit. Materialet kan frit benyttes. Forfatterne håber herigennem, at det kan inspirere til et udviklende forum, hvor mange andre hen ad vejen vil bidrage med nye ideer og eksempler, således at vi på den måde kan få et undervisningsmateriale, der til stadighed udvikles til gavn for alle parter, der er I berøring med dette meget interessante og nyttige fagområde. Med håbet om at materialet vil være til gavn for danske virksomheder og derved være med til at forbedre konkurrenceevnen i Danmark. Lars Hansen og Niels Hammer fra Århus Maskinmesterskole Per Skovgaard, Mogens Stenderup og Svend Åge West fra Fredericia Maskinmesterskole. Side 2 af 157
Indholdsfortegnelse: Teknikker og software til at forudsige rette vedligeholdsaktivitet...6 Indledning...6 Gennemførelse af en plan for tilstandsbaseret vedligehold...6 Indhold af målerapport mv...7 Eksempel 1: Sporing af lejeskade i en vekselstrømsmotor ved hjælp af vibrationsanalyse og elektrisk måling (spændingsmåling: aksel til jord)...8 Cost benefit analyse:...10 Eksempel 2: Deformation af en prægerulle på en papirkonverteringsmaskine...11 Konklusion...12 Vibrationer:...13 Hvorfra kommer vibrationer?...13 Vibrationsparametre:...14 Acceleration, hastighed og forskydning...14 Accelerometer....14 Det piezoelektriske accelerometer....14 Accelerometrets opbygning....15 Accelerometertyper...16 Accelerometerets karakteristika....17 Accelerometrets frekvansområde...18 Måleteknik:...19 Valg af målepunkt for accelerometret...19 Montering af accelerometret....20 Miljøpåvirkninger....22 Generelt...22 Temperatur...23 Kabelstøj....23 Andre miljøpåvirkninger...24 Accelerometer kalibrering...26 Andre transducere....27 Grundlæggende teori...28 Grundlæggende vibrationsteori...29 Spids-, gennemsnits- og effektivværdier...32 Almindeligt forekommende maskinfejl....35 Ubalance....35 Ubalance i maskiner med lodret akse...36 Ubalance i maskiner med overhængende leje...37 Årsager til ubalance...37 Graden af Ubalance...37 Opretningsfejl...39 Opretningsfejl...39 Vinkelfejl...39 Parallelfejl...39 Almindelig opretningsfejl...40 Temperaturindvirkning på opretningen...40 Fejlopretningens Vibrationsspektrum...40 Årsager til opretningsfejl...41 Bøjet aksel...42 Symptomer...42 Roterende løsgang...43 Stationær løsgang...45 Rulningslejer...45 Non-synkrone toner...46 Typisk udvikling af lejeslid...47 Løsgang i rullekontaktlejer...52 Skæve rullekontaktlejer...52 Lejeproblemer i maskiner med flere aksler...52 Glidelejeproblemer...53 Typer af glidelejeproblemer...53 Oliehvirvel...53 Side 3 af 157
Oliesmæld...53 For stort spillerum i glidelejer...53 Løsgang i glidelejer...54 Slid på tryklejer...54 Resonans...54 Fleksibelt fundament...55 Eksterne vibration...55 Vibrationsproblemer fremkaldt ved elektricitet...55 Induktionsmotorer...55 Rotorproblemer i vekselstrømsmotorer...56 Løse dele i vekselstrømsmotorer...56 Spolestøj i vekselstrømsmotorer...56 Forkert kommutator-børste kontakt i jævnstrømsmotorer...57 Pumpeproblemer...57 Testbetingelser...57 Centrifugalpumper...57 Tandhjulspumper...58 Skruepumper...58 Pumper med hule rotorer...58 Ventilatorproblemer...58 Typer på ventilatorproblemer...58 Koblingsproblemer...59 Problemer med kileremme...59 Remskive skævhed...59 Excentriske eller ubalancerede remskiver...60 Kileremsresonans (Remmene slår)...60 Fleksible konstruktioner...60 Problemer med gearkasser...60 Naturlige vibrationer...60 Beskadigede eller tærede tandhjul...61 Samtanding...61 Forkert tandindgreb...62 Excentriske tandhjul...62 Dårligt oprettede tandhjul...62 Slidte tandhjul...62 Problemer med Planetgear...62 Problemer med Rotationskompressorer...63 Problemer med stempelmaskiner...63 Demodulation...64 Amplitude modulation...64 Hvad er amplitude modulation?...64 Stød...66 Amplitude modulation i maskinvibration...66 Ulinearitet i maskiner...67 Modulation i rulningslejer...67 Konstruktion af en amplitude demodulator...68 Demodulations detaljer...69 Evaluering af demodulerede lejevibrationsspektre....70 Introduktion...70 Demodulerede spektres fremtræden...70 Cases:...73 Eksempler på demodulerede spektre...73 Motordrevet centrifugal pumpe...73 Udendørs transportbåndssystemer...75 Krangearkasse...78 Balancering....81 Indledning....81 Statisk contra moment ubalance...82 Tiloversbleven ubalance....84 Instrumentering....88 Side 4 af 157
Vektorløsning...90 1-plans balancering....94 2-plans balancering...96 Bestemmelse af tiloversbleven ubalance...100 Eksempler på praktiske vibrationsløsninger...101 Køletårn CT5 koblingssammenbrud på drivakslen (element 1)...101 Fejl i den indre ring af et kugleleje....104 Fejl i den ydre ring af et kugleleje...107 Smørefejl...109 K 9451 Kobling ude af balance...111 Balancering af en køletårnsventilator...113 Balancering på stedet af koblingen på en hurtiggående pumpe....115 Vibrationsanalyse brugt til at afsløre beskadigelse af gear....117 Balancering på stedet af et udkraget ventilatorhjul....120 Pumpediagnose ved vibrationsmålinger (Bredbånd contra spektrum)...123 Sammenbrud af et støtteleje for en drivskive på en motor...128 Lejesammenbrud i den frie ende af motor K6321...131 Ubalance i det andet trin af centrifugalkompressor K3851A...133 Lejesammenbrud i en vandpumpe for et køletårn....135 Lejefejl på en cirkulationspumpe for en reaktor....138 Lejefejl på en HVAC ventilator til en off-shore gas platform...141 Ubalance i pumpe eller hvad?...144 Eksempel på opretningsfejl og resonans....146 Appendiks:...148 Appendiks 1: Et Minikursus fra VibroConsult...148 Appendiks 2: Testbænk...155 Prøvestande til vibrationsanalyse og balancering...155 Appendiks 3: Øvelsesoplæg...156 En prøvestand som den er opbygget på Fredericia Maskinmesterskole...156 Prøvestanden består af:...156 Appendiks 4: Oplæg til øvelser:...157 Ubalance....157 Opretning....157 Lejefejl....157 Fundamentsfejl...157 Side 5 af 157
Teknikker og software til at forudsige rette vedligeholdsaktivitet Indledning Vedligehold har som bekendt en betydelig indflydelse på produktionen, og der er gennem de sidste årtier udviklet forskellige brugbare metoder til at forudsige noget om driftssikkerhed, risici, sammenbrud og mulige tab. Forebyggende vedligehold baseret på forudbestemte intervaller ved f.eks. faste tidsplaner eller forudsigelig vedligeholds med f.eks. baggrund i tilstandsmålinger er begge metoder hvormed man forsøger at modvirke negative indflydelser på produktionen. Om valget skal være forudbestemt eller forudsigelig bør primært bero på hvilke typer af fejl vi har med at gøre i de respektive tilfælde, men da langt den overvejende del er uforudsigelige på tid vil det være naturligt at man ofte må vælge en metode til at forudsige noget om udstyrets tilstand og herved forudsige (beregne/skønne) hvor lang tid der er til forventet funktionsfejl. Principielt kan man bruge følgende metoder til at forudsige noget om et udstyrs tilstand: Tilstandskontrolværktøjer, hvor man anvender særligt måleudstyr til at overvåge et udstyrs tilstand. Teknikker som er baseret på variationer i produktkvalitet. Teknikker til kontrol af procesparametre. Inspektion baseret på menneskelige sanser. Den hyppigst anvendte metode til forudsigelse er ubetinget måling af et udstyrs tilstand med tilhørende beregninger og vurderinger. Det er dog nødvendigt at tilføje at den forudsætter at fejlene udvikler sig over tid hvilket heldigvis er tilfældet i de fleste tilfælde ved mekanisk og elektrisk udstyr. Undtagelserne herfra er især elektronisk udstyr. I disse tilfælde er vi ofte henvist til afhjælpende vedligehold. Gennemførelse af en plan for tilstandsbaseret vedligehold For at kunne fastslå potentielle fejlmuligheder i produktionsudstyret kræver gennemførelsen af en plan for tilstandsbaseret vedligehold en række aktiviteter som bør indeholde følgende trin: Side 6 af 157
Plan for gennemførelse af tilstandsbaseret vedligehold Trin Aktivitet trin 1 Analyse for at fastslå kritisk produktionsudstyr trin 2 Analyse af tekniske muligheder, herunder bestemmelse af fejludviklingsforløb trin 3 Bestemmelse af teknikker for tilstandskontrol (vibration, termografi, smøreolieanalyser, mv.) trin 4 Sammenfatning verificering af måleteknikker og -muligheder trin 5 Datablade for måleudstyret trin 6 Installation af måleudstyr og software trin 7 Planlægning og opsætning af måleruter mv. trin 8 Måling trin 9 Analyse af måledata trin 10 Rapportering Først skal det kritiske niveau og de tekniske data fastslås ved at finde frem til det kritiske udstyr og de tekniske muligheder for at gennemføre tilstandskontrol af dette samt belyse de mulige overvågningsteknikkerne. Dernæst er det vigtigt at få fastlagt en plan, som definerer den rigtige målehyppighed og de anvendelige teknikker. For at gøre dette er det nødvendigt at sammenholde den tekniske viden om udstyret med typen af de sammenbrud, som kan forekomme. En anden vigtig aktivitet er beslutningen om installation af måleudstyr og måling i overensstemmelse med en forudbestemt plan. Det er derfor nødvendigt at tildele benævnelser for måleudstyret og målepunkterne og at udarbejde den rigtige måleprocedure for hver enkelt maskine på grundlag af databladet og arbejdsbetingelserne. Analysen af målingerne sker med baggrund i en detaljeret bearbejdning af al den viden, der indhentes ved målingerne. Indhold af målerapport mv. En målerapport indeholder normalt følgende oplysninger: Udstyrets benævnelse Arbejdsforhold Målinger Analyse af målingerne Beskrivelse af eventuelle fejl Årsager Anbefalinger Prioritering For de eventuelle fejl, der opdages ved målingerne, foreslås en handlingsplan, som følges op af en kontrol efter reparation/udskiftning for at bekræfte at problemet er løst. Alle de data, der indhentes ved målingerne samt tilhørende rapporter og efterfølgende vedligeholdsindgreb lagres i en database til senere brug ved trend undersøgelser og anden form for historiske sammenligninger. Side 7 af 157
For at optimere det forudsigelige vedligehold forefindes særlig software til brug ved analyse af data og til styring af oplysningerne. Denne software kan almindeligvis også bruges som støtte eller erstatning for databasen for vedligeholdssystemet med udstyrsidentifikation, benævnelse, beskrivelse, kontrolsystem og inspektionsfrekvens. Ved dataanalysen og rapporteringen understøtter softwaren også almindeligvis analyseprocessen og erfaringsprocessen således, at der kan dannes en database for fejltyper. Hver maskine, som er medtaget i planlægningen, kan nedbrydes i underkomponenter, som hver for sig kan analyseres for mulige fejlkilder. Som eksempel er følgende valgt en centrifugalpumpe: Underkomponenter: 1. Jævnstrømsmotor. 2. Transmissionssystem. 3. Pumpe undersystem. Vælger vi for eksempel jævnstrømsmotoren, kan følgende mulige fejl analyseres: a. Slip i lejerne b. Gennemgående løsgang c. Lejefejl d. Indflydelse fra andet udstyr e. Sammenhæng og udbøjning af roterende dele f. Elektriske fejl i rotor og stator g. Elektriske fejl i drevet h. Resonans i. Andre symptomer j. Ubalance i roterende dele k. Strukturelle fejl En vigtig fordel ved at anvende sådan software er standardiseringen af analyseprocessen og formaliseringen af erfaringsgrundlaget. Eksempel 1: Sporing af lejeskade i en vekselstrømsmotor ved hjælp af vibrationsanalyse og elektrisk måling (spændingsmåling: aksel til jord) Følgende eksempel henviser til målinger til vibrationsanalyse i en papirfabrik, hvor en plan for forudsigelig vedligehold netop var indført på basis af vibrationsmålinger. Ved en planlagt vibrationsmåling af det udstyr, som var underlagt tilstandskontrol, opdagede man en forøgelse af vibrationerne fra en 500kW variable frekvensstyret vekselstrømsmotor tilkoblet en blæser i den våde ende af anlægget. Proceduren for vibrationsanalyse omfattede følgende undersystemer: Vekselstrømsmotoren Transmissionssystemet Blæseren Vibrationsanalyse af målingerne fra målepunkterne på blæseren viste, denne var i orden. Spektret for vibrationsmålingerne fra motoren viste ændringer i forhold til referencemålinger og en forøgelse af det totale vibrationsniveauet var helt tydeligt. Se følgende billede. Side 8 af 157
Analysen af spektret fra motorens frie ende angav en BPFO frekvens (Ball Pass Frequency Outer race), hvilket tydede på en fejl i lejets ydre ring (akcelerationsværdi: 12g RMS). Herudover viste andre frekvensbilleder og tidsbilleder tegn på lejefejl som følge af elektrisk udladning (Electric Discharge Machining - EDM) Ved EDM forstås en beskadigelse som følge af en elektrisk strøm igennem lejet - kaldes også ofte: mattering, elektrisk grubetæring eller lysbueskade. Både jævn- og vekselstrømme kan forårsage lejebeskadigelse, selv ved lave strømstyrker. Den eneste måde at undgå disse skader er at sikre, at der ikke kan gå strøm igennem lejet. Elektriske målinger blev gennemført for at bekræfte antagelsen - en aksel til jord spændingsanalyse blev foretaget med en føler forbundet til et oscilloskop. Resultatet af disse målinger fremviste en aksel til jord spænding ud over det tilladte, hvilket bekræftede antagelsen fra vibrationsanalysen. Efter disse undersøgelser blev der fremsat følgende anbefalinger: eftersyn af motoren og installation af isolerede lejer eftersyn af frekvens styresystem Tilbagemelding efter reparation er en vigtig del af forudsigelig vedligehold, da det kan fortælle os om vi havde stillet den rigtige diagnose. Billedet herunder viser det demonterede leje, som tydeligt viser beskadigelser som svarer til hvad der blev analyseret på baggrund af målingerne. Side 9 af 157
Efter motoroverhalingen med tilhørende installation af isolerede lejer blev der foretaget vibrationsog elektriske målinger, der bekræftede, at problemet var løst. Takket være programmet til vibrationsanalyse var det muligt at opdage et truende sammenbrud (af lejet i motorens frie ende) cirka 6 måneder inden det ville ske og at udlede årsagen hertil (elektrisk bearbejdning af lejet). Cost benefit analyse: Antagelse om totalt sammenbrud: Udskift motor Tab af dækningsbidrag: 15 timer x 11.000 = 165.000 dkr Reparationsomkostninger: Reservedele: 300.000 dkr (ny motor) Arbejdstid: 7.500 dkr % sandsynlighed: 0,5% Antagelse om delvis sammenbrud: Eftersyn og reparation af motor Tab af dækningsbidrag: 15 timer x 11.000 = 165.000 dkr Reparationsomkostninger: Reservedele: 75.000 dkr Arbejdstid: 7.500 dkr % sandsynlighed: 99,5% Udført vedligehold: Eftersyn af motor (planlagt) Tab af dækningsbidrag: 0 dkr Omkostning til vedligehold: Reservedele: 75.000 dkr Arbejdstid: 7.500 dkr Beregnet fordel: 166.000 dkr 0,005 x (165.000 + 300.000 + 7.500) + 0.995 x (165.000 + 75.000 + 7.500) (75.000 + 7.500) = 166.000 dkr Side 10 af 157
Eksempel 2: Deformation af en prægerulle på en papirkonverteringsmaskine Ved en planlagt vibrationsmåling på en papirkonverteringsmaskine, som indgik i programmet til forudsigelig vedligehold, viste der sig vibrationsproblemer i prægeafsnittet. En af prægecylindrene (gummicylinderen) vibrerede ved 10,8 mm/s RMS med en dominerende frekvens som var 13 gange prægerullens hastighed med asymmetriske sidebånd og amplitude modulering over tid. Vibrationen var forbundet til maskinens driftshastighed med et max værdi ved én særlig hastighed. Almindelig vibrationsanalyser som FFT (Fast Fourier Transformation) og tidsanalyse samt run down og fase målinger blev foretaget for at støtte analysen af årsagerne til maskinens vibrationsproblemer. Disse målinger gav følgende resultat for de forskellige undersystemer: Gode lejetilstande, ingen løse lejer, godt drevsystem, ingen ubalance, god opretningstilstand og ingen skævheder. Opmærksomheden rettede sig imod en eventuel deformation af cylinderen som årsag til de høje vibrationer som følge af klembelastning. Som en yderlig tilstandsovervågningsteknik udførtes en dynamisk termografimåling for at bekræfte årsagen til vibrationen. Termomålinger blev foretaget på papiret både før og efter trykrulle-afsnittet i maskinen. Målingerne efter prægerullen viste en temperaturvariation i maskinens retning ved en frekvens på 13 gange prægerullens hastighed - sandsynligvis forårsaget af trykvariationer fra en deformation af gummicylinderen. Når papiret præges vil rullens tryk udøve friktion på papiret med en temperaturforøgelse til følge. Hvis trykket varierer, vil temperaturen variere, som vist ved disse målinger. Side 11 af 157
For at finde graden af deformation i rullen, blev rullens profil opmålt ved hjælp af kontaktløse vibrationsfølere imellem lejeunderstøtningen og cylinderakslen (proximitymålinger) disse målingerne bekræftede en deformation af gummirullen, som vist på følgende diagram. Rapporten blev udarbejdet på grundlag af ovenstående analyse med en anbefaling om at udskifte gummirullen og fremsende denne til slibning. Tilbagemeldingen efter udskiftningen bekræftede, at vibrationen var formindsket samt, at der var 13 områder på omkredsen af den udskiftede rulle, som måtte slibes ned. Konklusion Et vellykket forudsigeligt vedligeholdsprojekt bør være baseret på tre hovedaktiviteter: Udpegning af potentielle fejlområder, oprettelse af et databasesystem for viden/erfaringer samt indførelse af et formelt system til beregning af cost benefit. De anførte eksempler viser hvordan vibrationsmålinger, termografi og elektriske målinger (aksel til jord spændingsanalyse) kan være nyttige til at forudse og forstå individuelle potentielle fejltilstande, hvorved man kan garantere en højere grad af driftssikkerhed og risikokontrol i forbindelse med produktionsudstyr. Side 12 af 157
Vibrationer: Hvorfra kommer vibrationer? I praksis er det vanskeligt at undgå vibrationer. De fremkommer som den dynamiske følgeeffekt af fabrikationstolerancer, friktion mellem maskindele og ubalancekræfter i roterende og frem og tilbagegående maskindele. Svage vibrationer kan anslå resonansfrekvenser i andre strukturdele, og dermed blive forstærket til generende vibrations- og støjkilder. Undertiden udfører mekaniske vibrationer dog et nyttigt arbejde. For eksempel genererer vi vibrationer i transportbaner, betonvibrationer, ultralydsrensebade og trykluftmejsler. Rysteborde benyttes i udstrakt grad til at påføre produkter og komponenter kontrolleret vibrationsenergi, og dermed sikre funktionsdygtighed i vibrerende omgivelser. Et grundlæggende krav for alt arbejde med vibrationer hvad enten det angår konstruktion af maskiner, som udnytter vibrationsenergi, eller det drejer sig om udvikling og vedligeholdelse af støj- og vibrationssvage mekaniske produkter er en nøjagtig beskrivelse af vibrationerne ved måling og analyse. Side 13 af 157
Vibrationsparametre: Acceleration, hastighed og forskydning. Når vi har bestemt os for at måle vibrationer skal vi bestemme os for en transducer til at give vibrationsniveauet. Når vi anvender et accelerometer til måling kan omregne imellem forskydningen, hastigheden og accelerationen. Accelerometer. Det piezoelektriske accelerometer. Den transducer, som i dag anvendes stort set overalt ved vibrationsmålinger er det piezoelektriske accelerometer. Det har generelt bedre egenskaber end nogen anden vibrationstransducer. Det har et meget bredt frekvens- og dynamikområde og udviser god linearitet. Det er særdeles robust og pålideligt, og dets karakteristika bevares over lang tid. Herudover genererer det piezoelektriske accelerometer selv signalet det behøver altså ikke nogen strømforsyning. Der er ikke bevægelige dele som slides, og endelig: dets udgangssignal som er proportional med accelerationen, kan integreres til hastigheds- og forskydningssignalet. Kernen i et piezoelektrisk accelerometer er en skive af piezoelektrisk materiale, oftest en kunstigt polariseret ferroelektrisk keramik, som har den særlige piezoelektriske effekt: Når den deformeres mekanisk enten ved træk/tryk eller ved forskydning, genererer den en elektrisk ladning, som er proportional med den påtrykte kraft. Side 14 af 157
Accelerometrets opbygning. I et accelerometer er det piezoelektriske element i praksis anbragt sådan, at en seismisk masse påvirker det piezoelektriske element med en kraft, når den samlede enhed vibreres. Denne kraft er proportional med bevægelsens acceleration, idet Kraft = Masse * Acceleration. For frekvenser, som ligger passende under resonansfrekvensen for det samlede masse-fjedersystem, vil massens acceleration være den samme som basispladens acceleration, og udgangssignalets størrelse vil dermed være proportional med den acceleration, transduceren udsættes for. I praksis udnyttes to konstruktionsprincipper: Kompressionstypen, hvor massen udøver en kompressionskraft på det piezoelektriske element og Forskydningstypen, hvor massen udøver en forskydningskraft på det piezoelektriske element. Side 15 af 157
Accelerometertyper. Der tilbydes i dag mange forskellige typer accelerometre, så mange, at valget af den rette type umiddelbart kunne synes svært. Imidlertid vil en lille gruppe standard typer dække de fleste behov. De resterende accelerometre har karakteristika, som peger mod specielle anvendelser. Eksempelvis meget små accelerometre, som benyttes til måling af meget høje niveauer eller frekvenser og til måling på lette strukturer accelerometrenes vægt er ½ til 2 gram. Andre specialtyper er optimeret med henblik på anvendelse ved høj temperatur; samtidig måling i tre indbyrdes vinkelrette planer; ekstremt lave vibrationsniveauer; stød og chok; og til permanent overvågning af maskinanlæg. Side 16 af 157
Accelerometerets karakteristika. Følsomheden er det vigtigste af accelerometrets data. Det ville være ideelt med et højt udgangssignalniveau, men her er vi nødt til at acceptere et kompromis, fordi stor følsomhed kræver forholdsvis store elementer, som resulterer i en relativt stor og tung transducer. Under normale omstændigheder er følsomheden dog ikke kritisk, idet moderne forforstærkere er udformet under hensyntagen til de lave signalniveauer. Accelerometrets masse bliver en betydningsfuld parameter, når der skal måles på lette strukturer. Tillægsmasse kan ændre vibrationernes niveau og frekvens i målepunktet. Generelt bør accelerometrets masse ikke overstige en tiendedel af den dynamiske masse af det vibrerende element, hvorpå accelerometret er monteret. Når det drejer sig om at måle ekstremt lave eller høje niveauer, bør accelerometrets dynamikområde tages i betragtning. Den nedre grænse, som er vist på figuren bestemmes sjældent af accelerometret selv, men derimod af elektrisk støj fra forbindelseskabler og forstærkerkredsløb. Denne grænse er med standardinstrumenter normalt så lav som 0,01 m/s 2. Den øvre grænse bestemmes af accelerometrets mekaniske styrke. Et typisk standard accelerometer er lineært op til 50.000 til 100.000 m/s 2, dvs. langt ind i området mekaniske chok. Accelerometre udviklet specielt til måling af mekaniske chok kan være lineære op til 1000 km/s 2 (100.000 g). Side 17 af 157
Accelerometrets frekvansområde. Mekaniske systemer har hovedsagelig vibrationsenergien koncentreret i et forholdsvis snævert frekvensområde mellem 10 Hz og 1000 Hz, men målingerne udstrækkes ofte helt op til f.eks. 10 khz, fordi der kan være betydningsfulde komponenter ved de højere frekvenser. Vi må derfor ved valget af accelerometer sikre, at accelerometrets frekvensområde passer til måleopgaven. Accelerometrets frekvensområde begrænses i praksis nedadtil af to faktorer. Den første er lavfrekvensafskæringen af den tilhørende forforstærker, og denne grænse ligger almindeligvis omkring 0,1 Hz. Den anden er følgevirkningen af temperaturgradienter. Med moderne accelerometre af forskydningstypen er denne effekt dog minimal og tillader umiddelbart målinger til under 1 Hz i almindeligt miljø. Den øvre frekvensgrænse bestemmes af resonansfrekvensen for massefjedersystemet i selve accelerometret. Som en tommelfingerregel kan man sætte den øvre frekvensgrænse til en tredjedel af accelerometrets resonansfrekvens. Derved sikres det, at fejlen ved måling af komponenter ved den øvre frekvensgrænse bliver mindre end + 12%. Med små accelerometre, hvis egenmasse er lav, kan resonansfrekvensen ligge så højt som 180 khz, men for de lidt større og mere følsomme standard accelerometre er resonansfrekvenser på 2 til 30 khz typiske. Side 18 af 157
Måleteknik: Valg af målepunkt for accelerometret. Accelerometret skal monteres, så den ønskede måleretning er sammenfaldende med hovedfølsomhedsaksen. Accelerometre er også i nogen grad følsomme over for vibrationer i tværretningen, men denne effekt kan almindeligvis ignoreres, da denne tværfølsomhed typisk er mindre en 4% af hovedaksefølsomheden. Der findes dog accelerometre der kan måle i alle tre retninger med en montering. Denne aktuelle måleopgave vil som regel diktere målepunktets placering. Lad os tage kuglelejehuset på tegningen som eksempel. Her benyttes accelerationsmålinger til at overvåge den løbende tilstand af aksel og leje. Accelerometret bør følgelig placeres så man opnår den bedst mulige transmission af vibrationer fra lejet. Accelerometret A detekterer lejets vibrationssignal, som her dominerer over vibrationer fra andre maskindele, mens accelerometer B detekterer lejevibrationer, som er dæmpet ved transmission gennem samlingen, og blandet med signaler fra andre dele af maskinen. På tilsvarende måde sikrer accelerometer C en mere direkte transmission end accelerometer D. Det næste spørgsmål er nu: I hvilken retning bør man måle vibrationerne for det pågældende maskinelement. Det er vanskeligt at give generelle retningslinier, men for det viste leje vil man kunne få betydningsfuld information med henblik på overvågning ved at måle både i aksial og en af de radiale retninger, som regel den, der kan forventes at have den laveste stivhed. Mekaniske emners reaktion på tvungne vibrationer er et uhyre sammensat fænomen, og det medfører, at man især ved høje frekvenser kan forvente forskellige vibrationsniveauer og frekvensspektre selv ved tæt liggende målepunkter på samme maskin-element. Side 19 af 157
Montering af accelerometret. Metoden til montering af accelerometret i målepunktet er en af de væsentligste faktorer for opnåelse af nøjagtige resultater i praktiske vibrationsmålinger. Dårlig montering resulterer i reduktion af det monterede systems resonansfrekvens, og det kan i alvorlig grad indskrænke accelerometrets brugbare frekvensområde. Den ideelle monteringsform opnås med en stålskrue på en plan og glat flade som vist på tegningen. Et tyndt lag fedt på kontaktfladen kan øge monteringsstivheden. Gevindhullet i maskindelen skal være tilstrækkeligt dybt til at forhindre, at stålskruen tvinges i bund i accelerometrets basisplade. Den øverste tegning viser en typisk frekvenskarakteristik for et standard accelerometer monteret med stålskrue på en plan flade. Resonansfrekvensen er her omtrent ligeså høj som de 32 khz, der blev målt ved kalibrering af accelerometret, som bliver udført på en plan og poleret flade. Motorer i dag kan bestilles fra fabrikken med gevindhuller til montering af målepunkter. Der findes flere alternativer på markedet.. Side 20 af 157
Ønsker man at have faste målepunkter på en maskine, hvor det ikke er muligt at lave gevindhuller, kan man benytte en klæbestuds. Den sættes fast i målepunktet ved brug af hårdt klæbemiddel, idet bløde klæbemidler kan reducere accelerometrets brugbare frekvensområde betydeligt. Hvor accelerometret skal isoleres elektrisk fra måleobjektet kan man benytte en glimmerskive og en isoleret skrue. Metoden benyttes normalt for at forhindre jord-sløjfer. Denne monteringsmetode giver også et godt resultat resonansfrekvensen for det tidligere nævnte accelerometer reduceres kun til ca. 28 khz. En permanent magnet er en enkel fastgørelsesmetode, hvor målepunktet er en plan magnetisk flade. Metoden reducerer dog resonansfrekvensen for det samme accelerometer til omkring 7 khz og kan følgelig ikke bruges til målinger over 2 khz. Magnetens holdekraft er tilstrækkelig vil vibrationsniveauer op til 1000 til 2000 m/s 2 afhængig af accelerometrets masse. En håndholdt probe med accelerometret monteret på toppen tillader en hurtig måling, men den kan give store målefejl på grund af den ringe stivhed. Reproducerbare resultater kan ikke forventes. Endvidere bør der benyttes et lavpasfilter til at reducere frekvensområdet til under 1000 Hz. Side 21 af 157