Разбиране на ускорението при вибрационния анализ
Ускорение е скоростта на промяна на скоростта на даден обект във времето. В анализ на вибрациите това е един от трите основни измервателни параметъра, който показва колко бързо скорост на вибриращ компонент се променя. Където изместване показва разстоянието, на което се придвижва даден елемент, а скоростта показва колко бързо се движи; ускорението всъщност е мярка за силите, действащи върху елемента — което го прави изключително чувствителен към събития с висока честота, като удари и резки промени в движението.
1. Определение: Какво представлява ускорението на вибрациите?
От математическа гледна точка ускорението е първата производна на скоростта по време и втората производна на преместването. За тяло, което вибрира синусоидално с честота f, амплитудата на ускорението е пропорционална на квадрата на честотата при фиксирано отклонение — удвояването на честотата увеличава ускорението четирикратно. Този факт сам по себе си обяснява защо ускорението е естественият избор за бързи и резки събития: колкото по-висока е честотната съставна част на даден дефект, толкова по-ясно се откроява той в сигнала за ускорение. Това е и причината анализаторът да избере ускорението, когато явленията, които го интересуват, се намират в килохерцовия диапазон, а не в близост до работната честота.
2. Защо измерването на ускорението е важно?
Измерването на ускорението е от основно значение за задълбочена програма за мониторинг на състоянието тъй като то отлично открива грешки, които по-меките параметри могат да пропуснат. Неговото значение се дължи на няколко ключови фактора:
- Откриване на повреди при висока честота: Ускорението по своята същност е по-чувствително към високочестотните вибрации, което го прави идеален параметър за ранното откриване на повреди в ролковите лагери, проблеми със зацепването на зъбните колела и възбуждане при преминаване на лопатките – всички тези явления излъчват енергия във високите честотни диапазони.
- Пряка връзка със силата: съгласно втория закон на Нютон (Сила = Маса × Ускорение), ускорението е пряко пропорционално на динамичните сили вътре в машината. Измерването на ускорението следователно дава пряк поглед върху силите, които предизвикват напрежение и умора в компонентите.
- Широк динамичен диапазон: акселерометрите, използвани за измерването му, обхващат много широк диапазон от честоти и амплитуди, което ги прави универсални за различни видове машини и скорости.
3. Единици и измерване
Общи единици
Ускорението на вибрациите обикновено се изразява в една от следните две единици:
- г: единица, отнесена към ускорението на земното притегляне, където 1 g ≈ 9,81 м/с². g е популярна, защото дава стандартизирана и интуитивна представа за това колко силно се разклаща дадена част.
- м/с² (или мм/с²): единицата от SI системата – метри в секунда на квадрат, която се предпочита при официалното отчитане и изчисленията.
Добре е да се уточни дали дадена стойност е пикова, истинска пикова или RMS, тъй като една и съща вибрация може да се изрази по три различни начина. Превръщането между g, m/s² и еквивалентите им по скорост или преместване при дадена честота е точно това, което нашият Калкулатор за ускорение на вибрациите е за.
Как се измерва?
Ускорението се измерва почти изцяло с акселерометър — преобразувател, който превръща механичната сила на вибрациите в пропорционален електрически сигнал. Обикновено пиезоелектричен акселерометър е най-разпространеният тип в индустриалния мониторинг на състоянието, ценен заради своята издръжливост, точност и широка, равна честотна характеристика. Изходният му сигнал може да се анализира директно или чрез електронна интеграция, изразени вместо това като скорост или преместване.
4. Практическо приложение в диагностиката
При ежедневната диагностика данните за ускорението помагат за установяването на конкретни проблеми:
- Дефекти в лагерите: Микроскопичните дефекти по пътечките, ролките и сачмите предизвикват малки, високочестотни ударни пикове. Измерванията на ускорението — особено в комбинация с анализ на обвивката за да ги демодулираме — са основният начин за откриване на тези неизправности в най-ранния им етап, когато все още е възможно да се предприемат мерки, често чрез проследяване на честоти на дефектите в лагерите.
- Анализ на скоростната кутия: високочестотното съдържание от зацепването на зъбите, както и ударите от напукани или отчупени зъби, се виждат ясно в спектъра на ускорението, често точно при честота на зацепване на зъбните колела и неговите странични ленти.
- Високоскоростни машини: при турбините и високоскоростните компресори доминиращите честоти попадат в диапазона, в който ускорението е най-чувствително, поради което това често е предпочитаният общ показател.
Именно тази гъвкавост позволява на преносим двуканален уред като Balanset-1A да служи както като инструмент за балансиране, така и като диагностичен инструмент: той получава данни за ускорението от сензорите си, интегрира ги със скоростта, за да провери степента на сериозност спрямо ISO 20816 (съвременният заместител на ISO 10816) и използва същите канали за измерване на амплитудата и фазата на 1× за балансиране на място.
5. Връзка със скоростта и преместването
Изместването, скоростта и ускорението са математически свързани чрез интегриране и диференциране. При проста синусоидална вибрация скоростта е интегралът на ускорението, а изместването е интегралът на скоростта; обратно, диференциация се движи в обратната посока. Практическият резултат е, че при една и съща вибрационна енергия амплитудите на ускорението естествено са най-големи при високите честоти, докато амплитудите на преместването доминират при ниските честоти — като скоростта се намира между тях и остава относително постоянна в средния диапазон. Именно затова анализаторите избират параметъра, който най-добре съответства на честотния диапазон на очакваната повреда: преместване за бавно движение на вала, скорост за общото състояние на машината и ускорение за бързите, задвижвани от сила събития при лагерите и зъбните колела.
6. Какво показва Balanset-1A за ускорението
Balanset-1A отчита вибрациите с MEMS акселерометри и показва вибрационната скорост в mm/s RMS, а спектърът ѝ може да се разглежда по скорост или по ускорение. Сравнението на двата изгледа е бърз начин да разберете къде е съсредоточена вибрационната енергия, преди да решите да балансирате.
- Монтирайте двата датчика радиално върху твърда част на лагерните корпуси, като цялата повърхност на магнита прилепва плътно. Не ги поставяйте върху предпазни кожуси, капаци или челната повърхност. Поставяйте и премествайте датчиците само при спряна и блокирана машина.
- Отворете Vibration Meter (F5) и останете в раздела Wave Spectrum. Сравнете V1s с V1o. Ако съставката 1× е близо до общата стойност, вибрацията е предимно от дисбаланс. Ако е много по-малка, повечето енергия е в хармониците и шума.
- Превключете селектора Spectrum под графиката от Velocity на Acceleration (m/s2). Ускорението придава по-голяма тежест на по-високите честоти, затова пиковете при 2×, 3× и нагоре нарастват спрямо 1×. При една и съща скорост 3× показва три пъти по-голямо ускорение от 1×: при 3000 rpm 1 mm/s RMS е около 0.31 m/s2 при 1× (50 Hz) и 0.94 m/s2 при 3× (150 Hz). Задръжте курсора над пик, за да прочетете честотата и амплитудата му в заглавието на графиката.
- Оценявайте тежестта по показанията за скорост, защото зоните за вибрации по ISO са зададени в mm/s. За да оцветите V1s и V2s по зони, изберете стандарт за оценка на вибрациите в раздела F4 - Settings на главния прозорец.
- Ако 1× е най-големият пик в изгледа по скорост и V1o е близко до V1s, преминете към балансиране. Ако пиковете 2× или 3× достигат големината на 1× в изгледа по скорост, първо проверете центровката, лагерите и закрепването, а след това балансирайте. Пик, който е голям само в изгледа по ускорение, е увеличен от честотата си; проверете го в изгледа по скорост, преди да предприемете действие.
