Forståelse af akselorbitplottet i vibrationsanalyse
A akselorbit er en kurve, der viser den bane, som en roterende aksels geometriske centrum følger i løbet af en eller flere omdrejninger. Det er en todimensional fremstilling af akselens bevægelse inden for dens lejespillerum, som om man kiggede lige ned i skaktens ende. Dette effektive måleinstrument er konstrueret ved at montere et par berøringsfri nærhedsprober 90 grader fra hinanden — typisk i en X-Y-konfiguration — og ved at plotte deres samtidige forskydningssignaler i forhold til hinanden i stedet for i forhold til tiden.
1. Hvorfor Orbit-diagrammet er så nyttigt
En standard tidsbølgeform eller FFT-spektrum viser vibrationer i én retning. Orbit-diagrammet kombinerer to vinkelrette retninger for at give et fuldstændigt billede af akselens dynamiske bevægelse, hvilket giver analytikerne mulighed for at visualisere bevægelsens faktiske form og retning i stedet for blot at udlede den. Denne ekstra dimension giver uvurderlige ledetråde til diagnosticering af en lang række fejl, og det er netop derfor, at orbit-diagrammet er en hjørnesten i rotor-dynamisk analyse — især for højhastighedsmaskiner til kritiske formål, der er udstyret med væskefilm glidelejer, såsom turbiner, kompressorer og store generatorer.
Da følerne måler forskydningen direkte i forhold til lejet, viser banen også, hvor akslen befinder sig inden for sit spillerum, og ikke blot hvor langt den bevæger sig — en oplysning, som en på huset monteret accelerometer kan simpelthen ikke tilbyde. Tilføjelse af en omdrejningstæller eller Keyphasor mærker hvert omdrejning på banen og fastlægger dens fase og gør præcessionsretningen entydig.
2. Sådan tolkes banernes form
Formen, størrelsen og orienteringen af kredsløbet er direkte indikatorer for de kræfter, der virker på rotoren. En dygtig analytiker kan diagnosticere en maskines tilstand blot ved at se på kredsløbets form.
Cirkulær eller elliptisk bane
En simpel cirkulær eller elliptisk bane, centreret i lejet, er typisk tegn på en stabil rotor, der domineres af en enkelt frekvens — oftest ubalance. Banen vil være cirkulær, hvis lejestøttens stivhed er den samme i begge retninger (isotrop), og elliptisk, hvis stivheden er forskellig i vandret og lodret retning (anisotrop), hvilket er meget almindeligt i praksis, da de fleste maskiner er stivere i lodret retning end i vandret retning.
Forvrænget, 8-formet eller bananformet bane
Når banen afviger fra en simpel ellipse, påvirker flere frekvenser akselens bevægelse:
- A "banan"- eller halvmåneformet bane er ofte forbundet med fejljustering, hvor der forekommer både 1×- og 2×-frekvenser.
- A 8-talsform er et klassisk tegn på en kraftig 2×-komponent, en typisk indikator på, at akslerne ikke er i flugt. En 8-talform med en indvendig sløjfe tyder ofte på en mere alvorlig tilstand eller på, at der er gnidning.
Baner med knæk eller skarpe hjørner
Skarpe retningsændringer, flade pletter eller “knæk” i orbitten er stærke tegn på en rotor-stator-gnidning. De viser, at akselens bevægelse midlertidigt bremses, når den kommer i kontakt med en fast komponent, såsom et leje, en tætning, eller maskinens kabinet.
Meget uregelmæssige baner
En bane, der er uregelmæssig, ustabil eller ser ud til at være fyldt med »støj«, kan være tegn på alvorlig mekanisk løshed, væskeinduceret ustabilitet såsom oliehvirvel eller pisk, eller ved turbulente strømningsforhold i en pumpe eller kompressor.
3. Precessionsretning: Fremad eller bagud
Den retning, som banen følger i forhold til akselens rotationsretning, er i sig selv en afgørende diagnostisk faktor:
- Fremadrettet præcession: Baneforløbet følger samme retning som akselens rotation. Dette er den normale adfærd for kræfter som f.eks. ubalance.
- Omvendt præcession: banen følger den modsatte retning af akselens rotation. Dette er en unormal tilstand og kan være tegn på en akselrevne, kraftig gnidning eller visse former for ustabilitet forårsaget af væske.
For at skelne mellem de to er det nødvendigt med en fasemarkering, der vises én gang pr. omdrejning; uden denne viser banen ganske vist sin form, men ikke den retning, den bevæger sig i, og dermed går den afgørende forskel tabt.
4. Orbit i feltdiagnostik
Fastmonterede nærhedssensorer, der sender data til et overvågningssystem, er den klassiske metode til at registrere en bane på store, kritiske maskiner, men det underliggende princip – to vinkelrette forskydningssignaler, der plottes op mod hinanden med en fasereference – står ligeledes til rådighed for feltteknikeren. Et bærbart tokanalsinstrument som f.eks. Balanset-1A måler synkron amplitude og fase på to planer på én gang, så når en bane eller et spektrum har bekræftet, at ubalance er den dominerende faktor, og den samme opstilling går uændret videre til feltafbalancering og kontrol af den korrigerede tilstand. Hvis banen i stedet viser fejljustering, gnidning eller ustabilitet, fører dette fund til, at arbejdet i stedet rettes mod justering eller en mekanisk reparation frem for afbalancering.
Forskydningsorbit versus hastighedsorbit
De to er ikke den samme måling, og forskellen afgør, hvad man har ret til at konkludere ud fra billedet. Et par nærhedsprober aflæser aksel forskydning i forhold til lejet, så plottet er et sandt kort over, hvor akseltappen befinder sig inden for sit spillerum, og DC-delen af det samme signal giver akselens midterlinie. En bærbar tokanals-analysator med accelerometre spændt fast på lejehusene plotter to hastighed kanaler mod hinanden, i mm/s: det, man ser, er husets bevægelse, ikke akslens position.
Det, der overlever skiftet af transducer, er geometrien. Form, orientering og precessionsretning bestemmes af mønstret af kræfter, der virker på rotoren, snarere end af sensoren, så de velkendte familier stadig viser sig — en glat ellipse, når 1× dominerer, en halvmåne eller et 8-tal, når der er en stærk 2×-komponent, flade sider og knæk, når noget slæber. Det, der ikke overlever, er den absolutte position: en hastighedsorbit kan ikke fortælle, hvor meget spillerum der er tilbage, og den kan ikke omregnes til mikrometer af akselbevægelse. Brug den i felten til at identificere fejlfamilien; grib til nærhedsprober, når spørgsmålet er, hvor akslen faktisk kører.
Hvor orbitten findes i Balanset-softwaren
På en Balanset-1A er orbitten én fane i vibrationsmålervinduet, som åbnes med F5-tasten fra hovedvinduet; vinduet kræver enhedsfirmware 5.5.0 eller nyere. Fanen “X-Y Orbit” plotter kanal 1 på den ene akse mod kanal 2 på den anden i en 1:1-akseskala, så en cirkel på skærmen virkelig er en cirkel og ikke et artefakt af ulige akser. På den firekanals Balanset-4A tegnes en anden orbit, for kanal 3 og 4, under den første.
En kontakt over diagrammet afgør, hvad der tegnes:
| Tilstand | Hvad der plottes | Hvornår det er den rette visning |
|---|---|---|
| Unsynced | Den rå bane, uden reference til omdrejning | Der er ikke noget tachometer til rådighed, eller man vil se alt, hvad signalet indeholder |
| Sync (raw) | De seneste omdrejninger lagt oven på hinanden, justeret efter tachometermærket | Vurdering af reproducerbarhed — en stabil, lukket figur betyder, at bevægelsen gentager sig omdrejning efter omdrejning |
| 1× | Kun rotationskomponenten: en ren ellipse, der stemmer overens med V·o- og F-aflæsningerne | Bekræftelse af ubalancevektoren før afbalancering |
Uden et tachometermærke har de to synkroniserede tilstande intet at synkronisere til, programmet angiver det i diagrammets titel, og “Unsynced” bliver den eneste ærlige visning. Dette er den praktiske form af pointen fra afsnit 3: ingen reference én gang pr. omdrejning, ingen precessionsretning.
Aflæsning af tallene ved siden af orbitten
Felterne ved siden af diagrammet viser tre værdier pr. måleplan, og tilsammen er de den hurtigste fornuftstjek, man kan foretage, før man begynder at fortolke former:
- V·s — bredbånds-RMS-hastighed over arbejdsbåndet, i mm/s.
- V·o — kun 1×-komponenten, ved rotationsfrekvensen, i mm/s.
- F — den fase af den 1×-komponent, i grader.
Rotationskomponenten er per konstruktion en del af totalen, så V·o kan aldrig overstige V·s, og forholdet mellem dem forudsiger orbitten, før man ser på den. Når V·o ligger tæt på V·s, er næsten al energien ved 1×, orbitten samler sig til en ren ellipse, og ubalance er den dominerende kraft. Når V·o er markant mindre, består forskellen af harmoniske og bredbåndsstøj — og det er netop denne rest, der bøjer ellipsen til de halvmåner, 8-taller og knæk, der er beskrevet i afsnit 2. En kraftigt forvrænget orbit rapporteret sammen med V·o ≈ V·s er en modsigelse, og instrumenteringen er det første, man bør tjekke.
Under hvert plan sidder en stabilitetslinje: grå, mens aflæsningen stadig driver, grøn, når variationskoefficienten over de seneste tolv strømværdier falder under 10 %, orange, når spredningen overstiger 20 %. En orbit, der er indfanget, mens den linje er orange, er ikke en diagnose — det er et fotografi af en maskine, der ikke har sat sig.
Bekræftelse af formen mod spektret
Orbitten fortæller, at noget forvrænger ellipsen; spektret fortæller, hvilken orden der er ansvarlig. Fanen “Wave Spectrum” i det samme vindue viser bølgeformen øverst og hastighedsspektret nederst, med stiplede hjælpelinjer placeret ved præcise multipla af den målte rotationshastighed frem for ved den nærmeste høje søjle — så en top, der ikke rammer sin markør, slet ikke er en harmonisk af akselhastigheden og i stedet hører til lejer, tandindgreb eller bladpassage. En dominerende 2× ved siden af en halvmåne- eller 8-talsorbit peger på fejljustering; en top mellem 0,43× og 0,48× under en drivende, ustabil orbit er kendetegnet for oliehvirvel; bredbåndsindhold med flade orbit-sider peger på en gnidning.
Vælgeren under diagrammet skifter spektret mellem hastighed og acceleration. Hastighed er den akse, man skal bruge, når man ræsonnerer om orbitten, fordi orbitten selv er tegnet ud fra hastighedskanalerne.
Observation af orbitten gennem en resonans
En orbit er et øjebliksbillede ved én hastighed, og formen kan ændre sig fuldstændigt et par hundrede RPM væk. Fanen “Run-down” registrerer i stedet hele udløbet: 1×-amplitude og -fase logges mod faldende hastighed, én rå værdi pr. omdrejning uden udjævning, ned til en stoptærskel, der kan sættes hvor som helst mellem 100 og 2000 RPM og som standard er 300. En resonans annoncerer sig selv som en amplitudetop ledsaget af en fasedrejning på cirka 180° — den samme kritiske hastighed, som en Campbell-diagram forudsiger, hvor en excitationslinje krydser en egenfrekvenskurve. Den fulde run-down-rapport gemmer den X-Y Orbit, der er indfanget ved driftshastighed, sammen med disse kurver, så formen og resonanskortet ender i ét dokument.
5. Hvad et bane-diagram viser
Kort sagt giver et enkelt bane-diagram et væld af oplysninger på et øjeblik:
- Den samlede amplitude af akselvibrationen.
- Formen på akslens bevægelse, som hjælper med at identificere fejltypen.
- Precessionens retning, fremad eller bagud.
- Akslens gennemsnitlige placering inden for lejevæget — akselens midterlinie.
Når banen analyseres sammen med FFT-spektret og tidsbølgeformen, giver den analytikeren mulighed for at nå frem til en meget pålidelig og detaljeret diagnose af en maskines dynamiske adfærd — ved at samle »hvor meget«, »hvilken form« og »i hvilken retning« i ét samlet billede.
