تشخیص ارتعاش قطعات لوکوموتیو راه آهن: راهنمای جامع برای مهندسان تعمیر

۲.۳.۱.۱. مبانی ارتعاش: نیروهای نوسانی و ارتعاش در تجهیزات دوار

اصول اساسی ارتعاشات مکانیکی

ارتعاش مکانیکی، حرکت نوسانی سیستم‌های مکانیکی حول موقعیت‌های تعادلشان را نشان می‌دهد. مهندسانی که با اجزای لوکوموتیو کار می‌کنند باید درک کنند که ارتعاش در سه پارامتر اساسی نمود پیدا می‌کند: جابجایی، سرعت و شتاب. هر پارامتر بینش منحصر به فردی در مورد وضعیت تجهیزات و ویژگی‌های عملیاتی ارائه می‌دهد.

جابجایی ارتعاش حرکت فیزیکی واقعی یک جزء را از موقعیت سکون آن اندازه‌گیری می‌کند. این پارامتر به ویژه برای تجزیه و تحلیل ارتعاشات فرکانس پایین که معمولاً در عدم تعادل ماشین‌آلات دوار و مشکلات فونداسیون یافت می‌شود، ارزشمند است. دامنه جابجایی مستقیماً با الگوهای سایش در سطوح یاتاقان و اجزای کوپلینگ مرتبط است.

سرعت ارتعاش نشان دهنده نرخ تغییر جابجایی در طول زمان است. این پارامتر حساسیت استثنایی به خطاهای مکانیکی در طیف وسیعی از فرکانس‌ها نشان می‌دهد و آن را به پرکاربردترین پارامتر در پایش ارتعاشات صنعتی تبدیل می‌کند. اندازه‌گیری‌های سرعت به طور مؤثر خطاهای در حال توسعه در گیربکس‌ها، یاتاقان‌های موتور و سیستم‌های کوپلینگ را قبل از رسیدن به مراحل بحرانی تشخیص می‌دهند.

شتاب ارتعاش نرخ تغییر سرعت را در طول زمان اندازه‌گیری می‌کند. اندازه‌گیری‌های شتاب فرکانس بالا در تشخیص عیوب اولیه یاتاقان، آسیب دندانه چرخ‌دنده و پدیده‌های مرتبط با ضربه بسیار عالی هستند. پارامتر شتاب هنگام نظارت بر ماشین‌های کمکی با سرعت بالا و تشخیص بارهای ضربه‌ای اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند.

ویژگی‌های دوره و فرکانس

دوره تناوب (T) نشان دهنده زمان مورد نیاز برای یک چرخه نوسان کامل است، در حالی که فرکانس (f) تعداد چرخه‌های رخ داده در واحد زمان را نشان می‌دهد. این پارامترها پایه و اساس تمام تکنیک‌های تحلیل ارتعاش مورد استفاده در تشخیص لوکوموتیو را تشکیل می‌دهند.

اجزای لوکوموتیو راه‌آهن در محدوده‌های فرکانسی متنوعی کار می‌کنند. فرکانس‌های چرخشی چرخ‌دنده‌ها معمولاً در طول عملکرد عادی بین ۵ تا ۵۰ هرتز متغیر است، در حالی که فرکانس‌های درگیری چرخ‌دنده‌ها بسته به نسبت دنده‌ها و سرعت‌های چرخشی از ۲۰۰ تا ۲۰۰۰ هرتز متغیر است. فرکانس‌های نقص یاتاقان اغلب در محدوده ۵۰۰ تا ۵۰۰۰ هرتز ظاهر می‌شوند که نیاز به تکنیک‌های اندازه‌گیری و روش‌های تحلیلی تخصصی دارد.

اندازه‌گیری‌های ارتعاش مطلق و نسبی

اندازه‌گیری‌های ارتعاش مطلق، دامنه ارتعاش را به یک سیستم مختصات ثابت، معمولاً زمین یا چارچوب مرجع اینرسی، ارجاع می‌دهند. شتاب‌سنج‌های لرزه‌ای و مبدل‌های سرعت، با استفاده از جرم‌های اینرسی داخلی که ثابت می‌مانند در حالی که محفظه حسگر با جزء تحت نظارت حرکت می‌کند، اندازه‌گیری‌های مطلق را ارائه می‌دهند.

اندازه‌گیری‌های ارتعاش نسبی، ارتعاش یک جزء را با جزء متحرک دیگر مقایسه می‌کنند. پروب‌های مجاورتی که روی محفظه‌های یاتاقان نصب می‌شوند، ارتعاش شفت را نسبت به یاتاقان اندازه‌گیری می‌کنند و اطلاعات مهمی در مورد دینامیک روتور، رشد حرارتی و تغییرات لقی یاتاقان ارائه می‌دهند.

در کاربردهای لوکوموتیو، مهندسان معمولاً برای اکثر روش‌های تشخیصی از اندازه‌گیری‌های مطلق استفاده می‌کنند زیرا این اندازه‌گیری‌ها اطلاعات جامعی در مورد حرکت اجزا ارائه می‌دهند و می‌توانند مشکلات مکانیکی و ساختاری را تشخیص دهند. اندازه‌گیری‌های نسبی هنگام تجزیه و تحلیل ماشین‌های دوار بزرگ که در آن‌ها حرکت شفت نسبت به یاتاقان‌ها نشان‌دهنده مشکلات لقی داخلی یا ناپایداری روتور است، ضروری می‌شوند.

واحدهای اندازه‌گیری خطی و لگاریتمی

واحدهای اندازه‌گیری خطی، دامنه‌های ارتعاش را در کمیت‌های فیزیکی مستقیم مانند میلی‌متر (mm) برای جابجایی، میلی‌متر بر ثانیه (mm/s) برای سرعت و متر بر مجذور ثانیه (m/s²) برای شتاب بیان می‌کنند. این واحدها همبستگی مستقیم با پدیده‌های فیزیکی را تسهیل کرده و درک شهودی از شدت ارتعاش را فراهم می‌کنند.

واحدهای لگاریتمی، به ویژه دسی‌بل (dB)، محدوده‌های دینامیکی وسیعی را در مقیاس‌های قابل مدیریت فشرده می‌کنند. مقیاس دسی‌بل به ویژه هنگام تجزیه و تحلیل طیف‌های ارتعاش پهن باند که در آن تغییرات دامنه چندین مرتبه بزرگی را در بر می‌گیرد، ارزشمند است. بسیاری از آنالیزورهای ارتعاش مدرن، گزینه‌های نمایش خطی و لگاریتمی را برای تطبیق با نیازهای مختلف تجزیه و تحلیل ارائه می‌دهند.

استانداردهای بین‌المللی و چارچوب نظارتی

سازمان بین‌المللی استانداردسازی (ISO) استانداردهای جهانی شناخته‌شده‌ای را برای اندازه‌گیری و تحلیل ارتعاش وضع می‌کند. سری ISO 10816 معیارهای شدت ارتعاش را برای کلاس‌های مختلف ماشین‌آلات تعریف می‌کند، در حالی که ISO 13373 به روش‌های پایش وضعیت و تشخیص می‌پردازد.

برای کاربردهای راه‌آهن، مهندسان باید استانداردهای خاصی را در نظر بگیرند که محیط‌های عملیاتی منحصر به فرد را در نظر می‌گیرند. استاندارد ISO 14837-1 دستورالعمل‌های ارتعاش زمینی را برای سیستم‌های راه‌آهن ارائه می‌دهد، در حالی که استاندارد EN 15313 مشخصات کاربردی راه‌آهن را برای طراحی مجموعه چرخ و فریم بوژی با ملاحظات ارتعاشی تعیین می‌کند.

استانداردهای GOST روسیه الزامات بین‌المللی را با مقررات خاص منطقه تکمیل می‌کنند. GOST 25275 رویه‌های اندازه‌گیری ارتعاش برای ماشین‌آلات دوار را تعریف می‌کند، در حالی که GOST R 52161 به الزامات آزمایش ارتعاش وسایل نقلیه ریلی می‌پردازد.

طبقه‌بندی سیگنال‌های ارتعاشی

ارتعاش دوره‌ای الگوهای یکسانی را در فواصل زمانی منظم تکرار می‌کند. ماشین‌آلات دوار عمدتاً امضاهای ارتعاشی دوره‌ای مرتبط با سرعت چرخش، فرکانس‌های شبکه چرخ‌دنده‌ها و مسیرهای المان یاتاقان ایجاد می‌کنند. این الگوهای قابل پیش‌بینی، شناسایی دقیق خطا و ارزیابی شدت آن را امکان‌پذیر می‌کنند.

لرزش تصادفی ویژگی‌های آماری را به جای قطعی نشان می‌دهد. ارتعاش ناشی از اصطکاک، نویز جریان آشفته و برهمکنش جاده/ریل، مؤلفه‌های ارتعاشی تصادفی ایجاد می‌کنند که برای تفسیر مناسب به تکنیک‌های تحلیل آماری نیاز دارند.

ارتعاش گذرا به صورت رویدادهای مجزا با مدت زمان محدود رخ می‌دهد. بارهای ضربه‌ای، درگیری دندانه‌های چرخ‌دنده و ضربات المان یاتاقان، امضاهای ارتعاشی گذرا ایجاد می‌کنند که نیاز به تکنیک‌های تحلیل تخصصی مانند میانگین‌گیری همزمان زمانی و تحلیل پوششی دارند.

توصیفگرهای دامنه ارتعاش

مهندسان از توصیف‌گرهای دامنه مختلفی برای توصیف مؤثر سیگنال‌های ارتعاشی استفاده می‌کنند. هر توصیف‌گر، بینش منحصر به فردی در مورد ویژگی‌های ارتعاش و الگوهای توسعه خطا ارائه می‌دهد.

دامنه اوج نشان دهنده حداکثر مقدار لحظه‌ای است که در طول دوره اندازه‌گیری رخ می‌دهد. این پارامتر به طور مؤثر رویدادهای نوع ضربه و بارهای شوک را شناسایی می‌کند، اما ممکن است به طور دقیق سطوح ارتعاش مداوم را نشان ندهد.

دامنه جذر میانگین مربعات (RMS) محتوای انرژی مؤثر سیگنال ارتعاش را فراهم می‌کند. مقادیر RMS همبستگی خوبی با نرخ سایش ماشین و اتلاف انرژی دارند، که این پارامتر را برای تحلیل روند و ارزیابی شدت ایده‌آل می‌کند.

دامنه متوسط نشان دهنده میانگین حسابی مقادیر دامنه مطلق در طول دوره اندازه‌گیری است. این پارامتر همبستگی خوبی با ویژگی‌های سطح و سایش ارائه می‌دهد اما ممکن است علائم خطای متناوب را کمتر از حد واقعی تخمین بزند.

دامنه پیک تا پیک کل تغییر مکان بین حداکثر مقادیر دامنه مثبت و منفی را اندازه‌گیری می‌کند. این پارامتر برای ارزیابی مشکلات مربوط به لقی و شناسایی شل‌شدگی مکانیکی ارزشمند است.

ضریب تاج نسبت دامنه پیک به دامنه RMS را نشان می‌دهد و بینشی در مورد ویژگی‌های سیگنال ارائه می‌دهد. ضرایب تاج پایین (1.4-2.0) نشان دهنده ارتعاش عمدتاً سینوسی هستند، در حالی که ضرایب تاج بالا (>4.0) نشان دهنده رفتار ضربه‌ای یا ضربه‌ای هستند که مشخصه ایجاد عیب در یاتاقان است.

فناوری‌ها و روش‌های نصب حسگر لرزش

شتاب‌سنج‌ها، متنوع‌ترین حسگرهای ارتعاش برای کاربردهای لوکوموتیو هستند. شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک، بار الکتریکی متناسب با شتاب اعمال شده تولید می‌کنند و پاسخ فرکانسی عالی از 2 هرتز تا 10 کیلوهرتز را با حداقل اعوجاج فاز ارائه می‌دهند. این حسگرها در محیط‌های خشن راه‌آهن، ضمن حفظ حساسیت بالا و نویز کم، دوام فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند.

مبدل‌های سرعت از اصول القای الکترومغناطیسی برای تولید سیگنال‌های ولتاژ متناسب با سرعت ارتعاش استفاده می‌کنند. این حسگرها در کاربردهای فرکانس پایین (0.5-1000 هرتز) عالی هستند و نسبت سیگنال به نویز بهتری را برای کاربردهای نظارت بر ماشین‌آلات ارائه می‌دهند. با این حال، اندازه بزرگتر و حساسیت دمایی آنها ممکن است گزینه‌های نصب روی اجزای لوکوموتیو فشرده را محدود کند.

پروب‌های مجاورتی از اصول جریان گردابی برای اندازه‌گیری جابجایی نسبی بین حسگر و سطح هدف استفاده می‌کنند. این حسگرها برای نظارت بر ارتعاش شفت و ارزیابی لقی یاتاقان بسیار ارزشمند هستند، اما نیاز به نصب دقیق و مراحل کالیبراسیون دارند.

نصب صحیح سنسور به طور قابل توجهی بر دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد. مهندسان باید از اتصال مکانیکی محکم بین سنسور و قطعه تحت نظارت اطمینان حاصل کنند تا از اثرات رزونانس و اعوجاج سیگنال جلوگیری شود. گل‌میخ‌های رزوه‌دار، نصب بهینه را برای نصب‌های دائمی فراهم می‌کنند، در حالی که پایه‌های مغناطیسی، اندازه‌گیری‌های دوره‌ای روی سطوح فرومغناطیس را آسان می‌کنند.

ریشه‌های ارتعاش تجهیزات دوار

منابع ارتعاش مکانیکی از عدم تعادل جرم، عدم هم‌ترازی، لقی و سایش ناشی می‌شوند. اجزای چرخان نامتعادل، نیروهای گریز از مرکز متناسب با مجذور سرعت چرخش ایجاد می‌کنند و باعث ایجاد ارتعاش در فرکانس چرخشی و هارمونیک‌های آن می‌شوند. عدم هم‌ترازی بین شفت‌های کوپل شده، اجزای ارتعاش شعاعی و محوری را در فرکانس چرخشی و دو برابر فرکانس چرخشی ایجاد می‌کند.

منابع ارتعاش الکترومغناطیسی از تغییرات نیروی مغناطیسی در موتورهای الکتریکی سرچشمه می‌گیرند. خروج از مرکز فاصله هوایی، نقص در میله روتور و خطاهای سیم‌پیچ استاتور، نیروهای الکترومغناطیسی ایجاد می‌کنند که در فرکانس خط و هارمونیک‌های آن تعدیل می‌شوند. این نیروها با رزونانس‌های مکانیکی تعامل دارند و امضاهای ارتعاشی پیچیده‌ای ایجاد می‌کنند که نیاز به تکنیک‌های تحلیل پیشرفته دارند.

منابع ارتعاش آیرودینامیکی و هیدرودینامیکی ناشی از برهمکنش‌های جریان سیال با اجزای چرخان است. عبور پره‌های فن، برهمکنش‌های پره‌های پمپ و جدایش جریان آشفته، ارتعاشاتی در فرکانس‌های عبور پره/تیغه و هارمونیک‌های آنها ایجاد می‌کنند. این منابع به ویژه در ماشین‌های کمکی که با سرعت‌های بالا کار می‌کنند و نیازهای جابجایی سیال قابل توجهی دارند، اهمیت پیدا می‌کنند.

۲.۳.۱.۲. سیستم‌های لوکوموتیو: WMB، WGB، AM و اجزای آنها به عنوان سیستم‌های نوسانی

طبقه‌بندی تجهیزات دوار در کاربردهای لوکوموتیو

تجهیزات چرخشی لوکوموتیو شامل سه دسته اصلی هستند که هر کدام ویژگی‌های ارتعاشی منحصر به فرد و چالش‌های تشخیصی را ارائه می‌دهند. بلوک‌های موتور-چرخ (WMB) موتورهای کششی را مستقیماً با چرخ‌های محرک ادغام می‌کنند و سیستم‌های دینامیکی پیچیده‌ای را ایجاد می‌کنند که در معرض نیروهای تحریک الکتریکی و مکانیکی قرار دارند. بلوک‌های چرخ-چرخ دنده (WGB) از سیستم‌های کاهش دنده میانی بین موتورها و چرخ‌ها استفاده می‌کنند و منابع ارتعاش اضافی را از طریق تعاملات مش دنده ایجاد می‌کنند. ماشین‌های کمکی (AM) شامل فن‌های خنک‌کننده، کمپرسورهای هوا، پمپ‌های هیدرولیک و سایر تجهیزات پشتیبانی هستند که مستقل از سیستم‌های کشش اولیه عمل می‌کنند.

این سیستم‌های مکانیکی رفتار نوسانی از خود نشان می‌دهند که توسط اصول اساسی دینامیک و نظریه ارتعاشات اداره می‌شود. هر جزء دارای فرکانس‌های طبیعی است که توسط توزیع جرم، ویژگی‌های سختی و شرایط مرزی تعیین می‌شوند. درک این فرکانس‌های طبیعی برای جلوگیری از شرایط رزونانس که می‌تواند منجر به دامنه‌های ارتعاش بیش از حد و سایش سریع اجزا شود، بسیار مهم است.

طبقه‌بندی سیستم‌های نوسانی

نوسانات آزاد زمانی رخ می‌دهد که سیستم‌ها پس از اغتشاش اولیه بدون اعمال نیروی خارجی پیوسته، در فرکانس‌های طبیعی ارتعاش کنند. در کاربردهای لوکوموتیو، نوسانات آزاد در هنگام شروع و خاموش شدن گذرا، زمانی که سرعت‌های چرخشی از فرکانس‌های طبیعی عبور می‌کنند، آشکار می‌شوند. این شرایط گذرا اطلاعات تشخیصی ارزشمندی در مورد سختی و ویژگی‌های میرایی سیستم ارائه می‌دهند.

نوسانات اجباری ناشی از نیروهای تحریک دوره‌ای پیوسته‌ای است که بر سیستم‌های مکانیکی اعمال می‌شوند. عدم تعادل‌های چرخشی، نیروهای شبکه چرخ‌دنده‌ها و تحریک الکترومغناطیسی، ارتعاشات اجباری را در فرکانس‌های خاصی که مربوط به سرعت‌های چرخشی و هندسه سیستم هستند، ایجاد می‌کنند. دامنه‌های ارتعاش اجباری به رابطه بین فرکانس تحریک و فرکانس‌های طبیعی سیستم بستگی دارد.

نوسانات پارامتری زمانی ایجاد می‌شوند که پارامترهای سیستم به صورت دوره‌ای در طول زمان تغییر کنند. سختی متغیر با زمان در تماس مش چرخ‌دنده، تغییرات لقی یاتاقان و نوسانات شار مغناطیسی، تحریک پارامتری ایجاد می‌کنند که می‌تواند منجر به رشد ناپایدار ارتعاش حتی بدون اعمال نیروی مستقیم شود.

نوسانات خود برانگیخته (نوسانات خودکار) زمانی ایجاد می‌شوند که مکانیسم‌های اتلاف انرژی سیستم منفی می‌شوند و منجر به رشد پایدار ارتعاش بدون اعمال نیروی دوره‌ای خارجی می‌شوند. رفتار لغزش-چسبندگی ناشی از اصطکاک، فلاتر آیرودینامیکی و برخی ناپایداری‌های الکترومغناطیسی می‌توانند ارتعاشات خودبرانگیخته ایجاد کنند که نیاز به کنترل فعال یا اصلاحات طراحی برای کاهش آن دارند.

تعیین فرکانس طبیعی و پدیده رزونانس

فرکانس‌های طبیعی نشان‌دهنده ویژگی‌های ارتعاش ذاتی سیستم‌های مکانیکی مستقل از تحریک خارجی هستند. این فرکانس‌ها صرفاً به توزیع جرم سیستم و خواص سختی آن بستگی دارند. برای سیستم‌های ساده تک درجه آزادی، محاسبه فرکانس طبیعی از فرمول‌های معتبری که پارامترهای جرم و سختی را به هم مرتبط می‌کنند، پیروی می‌کند.

اجزای پیچیده لوکوموتیو فرکانس‌های طبیعی متعددی را نشان می‌دهند که مربوط به حالت‌های ارتعاشی مختلف هستند. حالت‌های خمشی، حالت‌های پیچشی و حالت‌های کوپل شده هر کدام دارای ویژگی‌های فرکانسی و الگوهای فضایی متمایزی هستند. تکنیک‌های آنالیز مودال به مهندسان کمک می‌کند تا این فرکانس‌ها و شکل‌های مد مرتبط را برای کنترل مؤثر ارتعاش شناسایی کنند.

رزونانس زمانی رخ می‌دهد که فرکانس‌های تحریک با فرکانس‌های طبیعی منطبق شوند و در نتیجه پاسخ‌های ارتعاشی به طور چشمگیری تقویت شوند. ضریب تقویت به میرایی سیستم بستگی دارد، به طوری که سیستم‌های با میرایی کم، پیک‌های رزونانس بسیار بالاتری نسبت به سیستم‌های با میرایی زیاد نشان می‌دهند. مهندسان باید اطمینان حاصل کنند که سرعت‌های عملیاتی از شرایط رزونانس بحرانی جلوگیری می‌کنند یا میرایی کافی را برای محدود کردن دامنه‌های ارتعاش فراهم می‌کنند.

مکانیسم‌های میرایی و اثرات آنها

میرایی، مکانیسم‌های اتلاف انرژی را نشان می‌دهد که رشد دامنه ارتعاش را محدود کرده و پایداری سیستم را فراهم می‌کند. منابع میرایی مختلفی در رفتار کلی سیستم نقش دارند، از جمله میرایی داخلی مواد، میرایی اصطکاک و میرایی سیال ناشی از روان‌کننده‌ها و هوای اطراف.

میرایی مواد از اصطکاک داخلی درون مواد تشکیل‌دهنده در طول بارگذاری تنش چرخه‌ای ناشی می‌شود. این مکانیسم میرایی به ویژه در اجزای چدنی، عناصر نصب لاستیکی و مواد کامپوزیتی مورد استفاده در ساخت لوکوموتیوهای مدرن قابل توجه است.

میرایی اصطکاک در سطوح مشترک بین اجزا، از جمله سطوح یاتاقان، اتصالات پیچی و مجموعه‌های انقباضی رخ می‌دهد. اگرچه میرایی اصطکاک می‌تواند کنترل ارتعاش مفیدی را فراهم کند، اما ممکن است اثرات غیرخطی و رفتار غیرقابل پیش‌بینی را نیز تحت شرایط بارگذاری متغیر ایجاد کند.

میرایی سیال ناشی از نیروهای ویسکوز در لایه‌های روان‌کننده، سیستم‌های هیدرولیک و برهمکنش‌های آیرودینامیکی است. میرایی لایه روغن در یاتاقان‌های ژورنال، پایداری حیاتی را برای ماشین‌آلات دوار با سرعت بالا فراهم می‌کند، در حالی که ممکن است میراگرهای ویسکوز عمداً برای کنترل ارتعاش در سیستم گنجانده شوند.

طبقه‌بندی نیروی تحریک

نیروهای گریز از مرکز از عدم تعادل جرم در اجزای چرخان ایجاد می‌شوند و نیروهایی متناسب با مجذور سرعت چرخش ایجاد می‌کنند. این نیروها به صورت شعاعی به سمت خارج عمل می‌کنند و همراه با قطعه می‌چرخند و ارتعاشی با فرکانس چرخش ایجاد می‌کنند. بزرگی نیروی گریز از مرکز با سرعت به سرعت افزایش می‌یابد و بالانس دقیق را برای عملکرد در سرعت بالا حیاتی می‌کند.

نیروهای سینماتیکی از محدودیت‌های هندسی ناشی می‌شوند که حرکت غیر یکنواخت را بر اجزای سیستم تحمیل می‌کنند. مکانیزم‌های رفت و برگشتی، دنبال‌کننده‌های بادامک و سیستم‌های چرخ‌دنده با خطاهای پروفیل، نیروهای تحریک سینماتیکی ایجاد می‌کنند. این نیروها معمولاً محتوای فرکانسی پیچیده‌ای را نشان می‌دهند که مربوط به هندسه سیستم و سرعت‌های چرخشی است.

نیروهای ضربه ناشی از اعمال بار ناگهانی یا برخورد بین اجزا است. درگیری دندانه‌های چرخ‌دنده، غلتیدن یاتاقان روی عیوب سطحی و برهمکنش‌های چرخ-ریل، نیروهای ضربه‌ای ایجاد می‌کنند که با محتوای فرکانسی وسیع و ضرایب تاج بالا مشخص می‌شوند. نیروهای ضربه‌ای برای توصیف صحیح به تکنیک‌های تحلیل تخصصی نیاز دارند.

نیروهای اصطکاک از تماس لغزشی بین سطوح با حرکت نسبی ایجاد می‌شوند. اعمال ترمز، لغزش یاتاقان و خزش چرخ-ریل، نیروهای اصطکاکی ایجاد می‌کنند که ممکن است رفتار چسبندگی-لغزشی از خود نشان دهند و منجر به ارتعاشات خودبرانگیخته شوند. ویژگی‌های نیروی اصطکاک به شدت به شرایط سطح، روانکاری و بارگذاری عادی بستگی دارد.

نیروهای الکترومغناطیسی از برهمکنش‌های میدان مغناطیسی در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها سرچشمه می‌گیرند. نیروهای الکترومغناطیسی شعاعی ناشی از تغییرات فاصله هوایی، هندسه قطعه قطب و عدم تقارن توزیع جریان هستند. این نیروها باعث ایجاد ارتعاش در فرکانس خط، فرکانس عبور شکاف و ترکیبات آنها می‌شوند.

ویژگی‌های سیستم وابسته به فرکانس

سیستم‌های مکانیکی ویژگی‌های دینامیکی وابسته به فرکانس را نشان می‌دهند که به طور قابل توجهی بر انتقال و تقویت ارتعاش تأثیر می‌گذارند. سختی سیستم، میرایی و خواص اینرسی با هم ترکیب می‌شوند تا توابع پاسخ فرکانسی پیچیده‌ای را ایجاد کنند که دامنه ارتعاش و روابط فاز بین تحریک ورودی و پاسخ سیستم را توصیف می‌کنند.

در فرکانس‌های بسیار پایین‌تر از اولین فرکانس طبیعی، سیستم‌ها به صورت شبه‌استاتیکی رفتار می‌کنند و دامنه‌های ارتعاش متناسب با دامنه‌های نیروی تحریک هستند. تقویت دینامیکی حداقل و روابط فازی تقریباً صفر باقی می‌مانند.

در نزدیکی فرکانس‌های طبیعی، تقویت دینامیکی می‌تواند به مقادیری بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر انحراف استاتیک، بسته به سطوح میرایی، برسد. روابط فاز در رزونانس به سرعت تا ۹۰ درجه تغییر می‌کنند و شناسایی واضحی از مکان‌های فرکانس طبیعی را فراهم می‌کنند.

در فرکانس‌های بسیار بالاتر از فرکانس‌های طبیعی، اثرات اینرسی بر رفتار سیستم غالب هستند و باعث می‌شوند دامنه‌های ارتعاش با افزایش فرکانس کاهش یابند. میرایی ارتعاش فرکانس بالا، فیلتر طبیعی را فراهم می‌کند که به جداسازی اجزای حساس از اختلالات فرکانس بالا کمک می‌کند.

سیستم‌های پارامتر متمرکز در مقابل سیستم‌های پارامتر توزیع‌شده

بلوک‌های چرخ و موتور را می‌توان هنگام تحلیل حالت‌های ارتعاشی فرکانس پایین که در آن‌ها ابعاد اجزا در مقایسه با طول موج‌های ارتعاشی کوچک باقی می‌مانند، به صورت سیستم‌های پارامتر متمرکز مدل‌سازی کرد. این رویکرد با نمایش ویژگی‌های جرم و سختی توزیع‌شده به صورت عناصر گسسته که توسط فنرهای بدون جرم و پیوندهای صلب به هم متصل شده‌اند، تحلیل را ساده می‌کند.

مدل‌های پارامتر توده‌ای برای تحلیل عدم تعادل روتور، اثرات سختی تکیه‌گاه یاتاقان و دینامیک کوپلینگ فرکانس پایین بین اجزای موتور و چرخ، مؤثر واقع شده‌اند. این مدل‌ها تجزیه و تحلیل سریع را تسهیل کرده و بینش فیزیکی روشنی از رفتار سیستم ارائه می‌دهند.

مدل‌های پارامتر توزیع‌شده هنگام تحلیل مدهای ارتعاشی فرکانس بالا که در آن‌ها ابعاد اجزا به طول موج‌های ارتعاشی نزدیک می‌شود، ضروری می‌شوند. مدهای خمشی شفت، انعطاف‌پذیری دندانه‌های چرخ‌دنده و رزونانس‌های صوتی برای پیش‌بینی دقیق نیاز به بررسی پارامتر توزیع‌شده دارند.

مدل‌های پارامتر توزیع‌شده، اثرات انتشار موج، شکل‌های مد محلی و رفتار وابسته به فرکانس را که مدل‌های پارامتر متمرکز نمی‌توانند در نظر بگیرند، در نظر می‌گیرند. این مدل‌ها معمولاً به تکنیک‌های حل عددی نیاز دارند، اما توصیف کامل‌تری از سیستم ارائه می‌دهند.

۲.۳.۱.۳. خواص و ویژگی‌های ارتعاشات فرکانس پایین، فرکانس متوسط، فرکانس بالا و اولتراسونیک در WMB، WGB و AM

طبقه‌بندی باند فرکانسی و اهمیت آنها

تحلیل فرکانس ارتعاشات نیازمند طبقه‌بندی سیستماتیک باندهای فرکانسی برای بهینه‌سازی روش‌های تشخیصی و انتخاب تجهیزات است. هر باند فرکانسی اطلاعات منحصر به فردی در مورد پدیده‌های مکانیکی خاص و مراحل توسعه عیب ارائه می‌دهد.

ارتعاش با فرکانس پایین (۱-۲۰۰ هرتز) در درجه اول از عدم تعادل ماشین آلات دوار، عدم هم‌ترازی و رزونانس‌های ساختاری ناشی می‌شود. این محدوده فرکانسی، فرکانس‌های چرخشی اساسی و هارمونیک‌های مرتبه پایین آنها را در بر می‌گیرد و اطلاعات ضروری در مورد وضعیت مکانیکی و پایداری عملیاتی را ارائه می‌دهد.

ارتعاش با فرکانس متوسط (۲۰۰-۲۰۰۰ هرتز) شامل فرکانس‌های شبکه چرخ‌دنده، هارمونیک‌های تحریک الکترومغناطیسی و رزونانس‌های مکانیکی اجزای اصلی سازه می‌شود. این محدوده فرکانسی برای تشخیص سایش دندانه چرخ‌دنده، مشکلات الکترومغناطیسی موتور و خرابی کوپلینگ بسیار مهم است.

ارتعاش فرکانس بالا (۲۰۰۰-۲۰۰۰۰ هرتز) نشانه‌های نقص یاتاقان، نیروهای ضربه‌ای دندانه چرخ‌دنده و هارمونیک‌های الکترومغناطیسی مرتبه بالا را آشکار می‌کند. این محدوده فرکانسی، هشدار اولیه‌ای در مورد عیوب در حال توسعه، قبل از اینکه در باندهای فرکانسی پایین‌تر ظاهر شوند، ارائه می‌دهد.

ارتعاش اولتراسونیک (20000+ هرتز) عیوب اولیه یاتاقان، شکست لایه روانکاری و پدیده‌های مرتبط با اصطکاک را ثبت می‌کند. اندازه‌گیری‌های اولتراسونیک به حسگرها و تکنیک‌های تحلیلی تخصصی نیاز دارند، اما اولین قابلیت‌های تشخیص عیب ممکن را ارائه می‌دهند.

تحلیل ارتعاشات فرکانس پایین

تحلیل ارتعاشات فرکانس پایین بر فرکانس‌های چرخشی اساسی و هارمونیک‌های آنها تا تقریباً مرتبه دهم تمرکز دارد. این تحلیل شرایط مکانیکی اولیه شامل عدم تعادل جرمی، عدم هم‌ترازی شفت، لقی مکانیکی و مشکلات لقی یاتاقان را آشکار می‌کند.

ارتعاش فرکانس چرخشی (1×) نشان دهنده شرایط عدم تعادل جرمی است که نیروهای گریز از مرکز را ایجاد می‌کند که با شفت می‌چرخند. عدم تعادل خالص، ارتعاش را عمدتاً در فرکانس چرخشی با حداقل محتوای هارمونیک ایجاد می‌کند. دامنه ارتعاش متناسب با مجذور سرعت چرخشی افزایش می‌یابد و نشانه تشخیصی واضحی را ارائه می‌دهد.

ارتعاش با فرکانس چرخشی دو برابر (2×) معمولاً نشان‌دهنده ناهم‌ترازی بین شفت‌ها یا اجزای کوپل شده است. ناهم‌ترازی زاویه‌ای الگوهای تنش متناوبی ایجاد می‌کند که در هر دور دو بار تکرار می‌شوند و امضاهای ارتعاشی مشخصه 2× را ایجاد می‌کنند. ناهم‌ترازی موازی نیز ممکن است از طریق توزیع بار متغیر، در ارتعاش 2× نقش داشته باشد.

محتوای هارمونیک چندگانه (3×، 4×، 5× و غیره) نشان‌دهنده‌ی لقی مکانیکی، کوپلینگ‌های فرسوده یا مشکلات ساختاری است. لقی امکان انتقال نیروی غیرخطی را فراهم می‌کند که محتوای هارمونیک غنی را ایجاد می‌کند که بسیار فراتر از فرکانس‌های اساسی گسترش می‌یابد. الگوی هارمونیک، اطلاعات تشخیصی در مورد محل و شدت لقی ارائه می‌دهد.

ویژگی‌های ارتعاش فرکانس متوسط

تحلیل فرکانس متوسط بر فرکانس‌های شبکه چرخ‌دنده‌ها و الگوهای مدولاسیون آنها تمرکز دارد. فرکانس شبکه چرخ‌دنده‌ها برابر است با حاصلضرب فرکانس چرخشی و تعداد دندانه‌ها، که خطوط طیفی قابل پیش‌بینی ایجاد می‌کند که وضعیت چرخ‌دنده و توزیع بار را نشان می‌دهد.

چرخ‌دنده‌های سالم ارتعاش قابل توجهی در فرکانس درگیری چرخ‌دنده با حداقل باندهای جانبی ایجاد می‌کنند. سایش دندانه، ترک خوردن دندانه یا بارگذاری ناهموار باعث مدولاسیون دامنه فرکانس درگیری می‌شود و باندهای جانبی با فاصله در فرکانس‌های چرخشی چرخ‌دنده‌های درگیر ایجاد می‌کند.

ارتعاشات الکترومغناطیسی در موتورهای کششی عمدتاً در محدوده فرکانس متوسط ظاهر می‌شود. هارمونیک‌های فرکانس خط، فرکانس‌های عبور شیار و فرکانس‌های عبور قطب، الگوهای طیفی مشخصی ایجاد می‌کنند که شرایط موتور و ویژگی‌های بارگذاری را آشکار می‌کنند.

فرکانس عبور شیار برابر است با حاصلضرب فرکانس چرخشی و تعداد شیارهای روتور، که از طریق تغییرات نفوذپذیری مغناطیسی هنگام عبور شیارهای روتور از قطب‌های استاتور، ارتعاش ایجاد می‌کند. میله‌های شکسته روتور یا نقص حلقه انتهایی، فرکانس عبور شیار را تعدیل کرده و نوارهای جانبی تشخیصی ایجاد می‌کنند.

تحلیل ارتعاشات فرکانس بالا

آنالیز ارتعاشات فرکانس بالا، فرکانس‌های نقص یاتاقان و هارمونیک‌های مرتبه بالای شبکه چرخ‌دنده را هدف قرار می‌دهد. یاتاقان‌های غلتشی، فرکانس‌های مشخصه را بر اساس هندسه و سرعت چرخش تولید می‌کنند و قابلیت‌های تشخیصی دقیقی را برای ارزیابی وضعیت یاتاقان فراهم می‌کنند.

فرکانس عبور ساچمه (BPFO) زمانی رخ می‌دهد که اجزای غلتشی از یک نقص ثابت در حلقه بیرونی عبور کنند. این فرکانس به هندسه یاتاقان بستگی دارد و معمولاً برای طرح‌های رایج یاتاقان، بین ۳ تا ۸ برابر فرکانس چرخشی است.

فرکانس عبور ساچمه (BPFI) ناشی از مواجهه عناصر غلتشی با عیوب حلقه داخلی است. از آنجایی که حلقه داخلی همراه با شفت می‌چرخد، BPFI معمولاً از BPFO بیشتر می‌شود و ممکن است به دلیل اثرات ناحیه بار، مدولاسیون فرکانس چرخشی را نشان دهد.

فرکانس پایه قطار (FTF) نشان دهنده فرکانس چرخشی قفس است و معمولاً برابر با 0.4 تا 0.45 برابر فرکانس چرخشی شفت است. نقص قفس یا مشکلات روانکاری ممکن است باعث ایجاد لرزش در FTF و هارمونیک‌های آن شود.

فرکانس چرخش ساچمه (BSF) نشان دهنده چرخش تک تک اجزای غلتشی حول محور خود است. این فرکانس به ندرت در طیف ارتعاش ظاهر می‌شود، مگر اینکه اجزای غلتشی دارای عیوب سطحی یا بی‌نظمی‌های ابعادی باشند.

کاربردهای ارتعاش اولتراسونیک

اندازه‌گیری‌های ارتعاش اولتراسونیک، عیوب اولیه یاتاقان را هفته‌ها یا ماه‌ها قبل از آشکار شدن در آنالیز ارتعاشات مرسوم، تشخیص می‌دهند. تماس ناهمواری‌های سطحی، ترک‌های ریز و تجزیه لایه روانکاری، انتشار امواج فراصوتی را ایجاد می‌کنند که قبل از تغییرات قابل اندازه‌گیری در فرکانس‌های عیوب یاتاقان رخ می‌دهند.

تکنیک‌های تحلیل پوششی، اطلاعات مدولاسیون دامنه را از فرکانس‌های حامل فراصوت استخراج می‌کنند و الگوهای مدولاسیون فرکانس پایین مربوط به فرکانس‌های نقص یاتاقان را آشکار می‌کنند. این رویکرد، حساسیت فرکانس بالا را با اطلاعات تشخیصی فرکانس پایین ترکیب می‌کند.

اندازه‌گیری‌های اولتراسونیک نیاز به انتخاب و نصب دقیق حسگر دارند تا از آلودگی سیگنال ناشی از تداخل الکترومغناطیسی و نویز مکانیکی جلوگیری شود. شتاب‌سنج‌هایی با پاسخ فرکانسی بالاتر از ۵۰ کیلوهرتز و آماده‌سازی مناسب سیگنال، اندازه‌گیری‌های اولتراسونیک قابل اعتمادی را ارائه می‌دهند.

ریشه‌های ارتعاش مکانیکی در مقابل الکترومغناطیسی

منابع ارتعاش مکانیکی، تحریک پهن‌باند با محتوای فرکانسی مرتبط با هندسه و سینماتیک اجزا ایجاد می‌کنند. نیروهای ضربه‌ای ناشی از عیوب یاتاقان، درگیری دندانه‌های چرخ‌دنده و لقی مکانیکی، سیگنال‌های ضربه‌ای با محتوای هارمونیک غنی ایجاد می‌کنند که در محدوده فرکانسی وسیعی گسترش می‌یابند.

منابع ارتعاش الکترومغناطیسی، مؤلفه‌های فرکانسی گسسته‌ای تولید می‌کنند که به فرکانس منبع تغذیه و پارامترهای طراحی موتور مربوط می‌شوند. این فرکانس‌ها مستقل از سرعت چرخش مکانیکی باقی می‌مانند و روابط ثابتی را با فرکانس سیستم قدرت حفظ می‌کنند.

تمایز قائل شدن بین منابع ارتعاش مکانیکی و الکترومغناطیسی نیازمند تحلیل دقیق روابط فرکانسی و وابستگی بار است. ارتعاش مکانیکی معمولاً با سرعت چرخش و بارگذاری مکانیکی تغییر می‌کند، در حالی که ارتعاش الکترومغناطیسی با بارگذاری الکتریکی و کیفیت ولتاژ تغذیه مرتبط است.

ویژگی‌های ارتعاش ضربه و شوک

ارتعاش ضربه‌ای ناشی از اعمال نیروی ناگهانی با مدت زمان بسیار کوتاه است. درگیری دندانه‌های چرخ‌دنده، ضربات اجزای یاتاقان و تماس چرخ-ریل، نیروهای ضربه‌ای ایجاد می‌کنند که همزمان چندین رزونانس سازه‌ای را تحریک می‌کنند.

رویدادهای ضربه، امضاهای مشخصه در حوزه زمان با ضرایب قله بالا و محتوای فرکانسی وسیع ایجاد می‌کنند. طیف فرکانسی ارتعاش ضربه بیشتر به ویژگی‌های پاسخ سازه بستگی دارد تا خود رویداد ضربه، و برای تفسیر مناسب نیاز به تحلیل در حوزه زمان دارد.

تحلیل طیف پاسخ ضربه، توصیف جامعی از پاسخ سازه به بارگذاری ضربه‌ای ارائه می‌دهد. این تحلیل نشان می‌دهد که کدام فرکانس‌های طبیعی توسط رویدادهای ضربه تحریک می‌شوند و سهم نسبی آنها در سطوح کلی ارتعاش چقدر است.

ارتعاش تصادفی از منابع اصطکاک

ارتعاش ناشی از اصطکاک به دلیل ماهیت تصادفی پدیده تماس سطحی، ویژگی‌های تصادفی از خود نشان می‌دهد. صدای ترمز، لرزش یاتاقان و برهمکنش چرخ-ریل، ارتعاش تصادفی پهن‌باند ایجاد می‌کنند که نیاز به تکنیک‌های تحلیل آماری دارد.

رفتار لغزش-چسبندگی در سیستم‌های اصطکاکی، ارتعاش خود-برانگیخته با محتوای فرکانسی پیچیده ایجاد می‌کند. تغییرات نیروی اصطکاک در طول چرخه‌های لغزش-چسبندگی، مؤلفه‌های ارتعاشی زیرهارمونیک ایجاد می‌کنند که ممکن است با رزونانس‌های ساختاری همزمان شوند و منجر به سطوح ارتعاشی تقویت‌شده شوند.

تحلیل ارتعاشات تصادفی از توابع چگالی طیفی توان و پارامترهای آماری مانند سطوح RMS و توزیع‌های احتمال استفاده می‌کند. این تکنیک‌ها ارزیابی کمی از شدت ارتعاشات تصادفی و تأثیر بالقوه آن بر عمر خستگی اجزا را ارائه می‌دهند.

۲.۳.۱.۴ ویژگی‌های طراحی WMB، WGB، AM و تأثیر آنها بر ویژگی‌های ارتعاشی

پیکربندی‌های اولیه WMB، WGB و AM

تولیدکنندگان لوکوموتیو از چیدمان‌های مکانیکی مختلفی برای انتقال نیرو از موتورهای کششی به چرخ‌های محرک استفاده می‌کنند. هر پیکربندی ویژگی‌های ارتعاشی منحصر به فردی را نشان می‌دهد که مستقیماً بر رویکردهای تشخیصی و الزامات نگهداری تأثیر می‌گذارد.

موتورهای کششی با دماغه معلق، مستقیماً روی محورهای چرخ و فلک نصب می‌شوند و کوپلینگ مکانیکی سفت و سختی بین موتور و چرخ و فلک ایجاد می‌کنند. این پیکربندی تلفات انتقال قدرت را به حداقل می‌رساند، اما موتورها را در معرض تمام ارتعاشات و ضربات ناشی از ریل قرار می‌دهد. چیدمان نصب مستقیم، ارتعاش الکترومغناطیسی موتور را با ارتعاش مکانیکی چرخ و فلک جفت می‌کند و الگوهای طیفی پیچیده‌ای ایجاد می‌کند که نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق دارند.

موتورهای کششی نصب‌شده روی شاسی از سیستم‌های کوپلینگ انعطاف‌پذیر برای انتقال نیرو به چرخ‌ها استفاده می‌کنند و در عین حال موتورها را از اختلالات مسیر جدا می‌کنند. اتصالات یونیورسال، کوپلینگ‌های انعطاف‌پذیر یا کوپلینگ‌های دنده‌ای، حرکت نسبی بین موتور و چرخ‌ها را در عین حفظ قابلیت انتقال نیرو، تطبیق می‌دهند. این چیدمان، قرار گرفتن در معرض ارتعاش موتور را کاهش می‌دهد، اما از طریق دینامیک کوپلینگ، منابع ارتعاش اضافی ایجاد می‌کند.

سیستم‌های محرک دنده‌ای از کاهش دنده میانی بین موتور و مجموعه چرخ‌ها برای بهینه‌سازی ویژگی‌های عملکردی موتور استفاده می‌کنند. کاهش دنده مارپیچی تک مرحله‌ای، طراحی جمع و جور با سطح صدای متوسط را ارائه می‌دهد، در حالی که سیستم‌های کاهش دنده دو مرحله‌ای انعطاف‌پذیری بیشتری در انتخاب نسبت دنده ارائه می‌دهند، اما پیچیدگی و منابع بالقوه ارتعاش را افزایش می‌دهند.

سیستم‌های کوپلینگ مکانیکی و انتقال ارتعاش

رابط مکانیکی بین روتور موتور کششی و پینیون چرخ‌دنده به طور قابل توجهی بر ویژگی‌های انتقال ارتعاش تأثیر می‌گذارد. اتصالات انقباضی، کوپلینگ صلب با تمرکز عالی ایجاد می‌کنند، اما ممکن است تنش‌های مونتاژی ایجاد کنند که بر کیفیت تعادل روتور تأثیر می‌گذارند.

اتصالات کلیددار انبساط حرارتی را در خود جای می‌دهند و مراحل مونتاژ را ساده می‌کنند، اما باعث ایجاد لقی و بارگذاری ضربه‌ای بالقوه در طول معکوس شدن گشتاور می‌شوند. سایش کلید باعث ایجاد لقی اضافی می‌شود که نیروهای ضربه‌ای را با فرکانس چرخشی دو برابر در طول چرخه‌های شتاب‌گیری و کاهش سرعت ایجاد می‌کند.

اتصالات اسپلین قابلیت انتقال گشتاور برتر را ارائه می‌دهند و جابجایی محوری را در خود جای می‌دهند، اما برای به حداقل رساندن تولید ارتعاش، به تلرانس‌های تولید دقیقی نیاز دارند. سایش اسپلین باعث ایجاد لقی محیطی می‌شود که بسته به شرایط بارگذاری، الگوهای ارتعاش پیچیده‌ای ایجاد می‌کند.

سیستم‌های کوپلینگ انعطاف‌پذیر، ارتعاشات پیچشی را ایزوله می‌کنند و در عین حال عدم هم‌ترازی بین شفت‌های متصل را نیز جبران می‌کنند. کوپلینگ‌های الاستومری، ایزولاسیون ارتعاش بسیار خوبی ارائه می‌دهند، اما ویژگی‌های سختی وابسته به دما را نشان می‌دهند که بر مکان‌های فرکانس طبیعی تأثیر می‌گذارد. کوپلینگ‌های نوع چرخ‌دنده، خواص سختی ثابتی را حفظ می‌کنند، اما ارتعاش فرکانسی مش ایجاد می‌کنند که به محتوای طیفی کلی سیستم می‌افزاید.

پیکربندی‌های یاتاقان محور چرخ‌ها

یاتاقان‌های محور چرخ، بارهای عمودی، جانبی و محوری را تحمل می‌کنند و در عین حال انبساط حرارتی و تغییرات هندسه مسیر را نیز در خود جای می‌دهند. یاتاقان‌های غلتکی استوانه‌ای بارهای شعاعی را به طور مؤثر تحمل می‌کنند، اما برای پشتیبانی از بار محوری به چیدمان یاتاقان‌های محوری جداگانه نیاز دارند.

یاتاقان‌های غلتکی مخروطی، قابلیت تحمل بار شعاعی و محوری ترکیبی را با ویژگی‌های سختی برتر در مقایسه با یاتاقان‌های ساچمه‌ای فراهم می‌کنند. هندسه مخروطی، پیش‌بار ذاتی ایجاد می‌کند که لقی داخلی را از بین می‌برد، اما برای جلوگیری از بارگذاری بیش از حد یا پشتیبانی ناکافی، نیاز به تنظیم دقیق دارد.

یاتاقان‌های غلتکی کروی دو ردیفه، بارهای شعاعی بزرگ و بارهای محوری متوسط را تحمل می‌کنند و در عین حال قابلیت خودتنظیمی را برای جبران انحراف شفت و عدم هم‌ترازی محفظه فراهم می‌کنند. هندسه کروی حلقه بیرونی، میرایی لایه روغن ایجاد می‌کند که به کنترل انتقال ارتعاش کمک می‌کند.

لقی داخلی یاتاقان به طور قابل توجهی بر ویژگی‌های ارتعاش و توزیع بار تأثیر می‌گذارد. لقی بیش از حد، امکان بارگذاری ضربه‌ای را در طول چرخه‌های معکوس بار فراهم می‌کند و ارتعاش ضربه‌ای با فرکانس بالا ایجاد می‌کند. لقی ناکافی، شرایط پیش‌باری را ایجاد می‌کند که مقاومت غلتشی و تولید گرما را افزایش می‌دهد و در عین حال به طور بالقوه دامنه ارتعاش را کاهش می‌دهد.

تأثیر طراحی سیستم چرخ‌دنده بر ارتعاش

هندسه دندانه چرخ‌دنده مستقیماً بر فرکانس مش، دامنه ارتعاش و محتوای هارمونیک تأثیر می‌گذارد. پروفیل‌های دندانه اینولوت با زوایای فشار مناسب و اصلاحات الحاقی، تغییرات نیروی مش و تولید ارتعاش مرتبط را به حداقل می‌رسانند.

چرخ‌دنده‌های مارپیچ به دلیل ویژگی‌های درگیری تدریجی دندانه‌ها، انتقال قدرت نرم‌تری را در مقایسه با چرخ‌دنده‌های ساده فراهم می‌کنند. زاویه مارپیچ، مؤلفه‌های نیروی محوری ایجاد می‌کند که به تکیه‌گاه یاتاقان محوری نیاز دارند، اما دامنه ارتعاش فرکانس شبکه را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

نسبت تماس دنده‌ها، تعداد دندانه‌های درگیر همزمان در طول انتقال قدرت را تعیین می‌کند. نسبت‌های تماس بالاتر، بار را بین دندانه‌های بیشتری توزیع می‌کنند و تنش تک تک دندانه‌ها و تغییرات نیروی درگیر را کاهش می‌دهند. نسبت‌های تماس بالاتر از ۱.۵ در مقایسه با نسبت‌های پایین‌تر، کاهش قابل توجه ارتعاش را فراهم می‌کنند.

دقت تولید چرخ‌دنده از طریق خطاهای فاصله دندانه‌ها، انحرافات پروفیل و تغییرات سطح نهایی، بر تولید ارتعاش تأثیر می‌گذارد. درجه‌های کیفیت AGMA دقت تولید را کمّی می‌کنند، به طوری که درجه‌های بالاتر سطح ارتعاش کمتری تولید می‌کنند اما به فرآیندهای تولید گران‌تری نیاز دارند.

توزیع بار در عرض سطح چرخ‌دنده بر تمرکز تنش موضعی و تولید ارتعاش تأثیر می‌گذارد. سطوح دندانه تاج‌دار و تراز مناسب شفت، توزیع بار یکنواخت را تضمین می‌کنند و بارگذاری لبه‌ای را که باعث ایجاد اجزای ارتعاش با فرکانس بالا می‌شود، به حداقل می‌رسانند.

سیستم‌های کاردان شفت در کاربردهای WGB

بلوک‌های چرخ‌دنده-چرخ‌دنده با انتقال قدرت محور کاردان، فواصل جداسازی بیشتری بین موتور و محور چرخ‌دنده را در خود جای می‌دهند و در عین حال قابلیت اتصال انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کنند. اتصالات یونیورسال در هر انتهای محور کاردان، محدودیت‌های سینماتیکی ایجاد می‌کنند که الگوهای ارتعاشی مشخصی را ایجاد می‌کنند.

عملکرد یک مفصل یونیورسال، تغییرات سرعتی ایجاد می‌کند که باعث ایجاد ارتعاشی با دو برابر فرکانس چرخش شفت می‌شود. دامنه این ارتعاش به زاویه عملکرد مفصل بستگی دارد، به طوری که زوایای بزرگتر، طبق روابط سینماتیکی تثبیت‌شده، سطوح ارتعاش بالاتری را ایجاد می‌کنند.

چیدمان‌های اتصال یونیورسال دوگانه با فازبندی مناسب، تغییرات سرعت مرتبه اول را حذف می‌کنند، اما اثرات مرتبه بالاتر را ایجاد می‌کنند که در زوایای کاری بزرگ قابل توجه می‌شوند. اتصالات سرعت ثابت، ویژگی‌های ارتعاشی بهتری ارائه می‌دهند، اما به رویه‌های تولید و نگهداری پیچیده‌تری نیاز دارند.

سرعت‌های بحرانی شفت کاردان باید به خوبی از محدوده‌های سرعت عملیاتی جدا نگه داشته شوند تا از تقویت رزونانس جلوگیری شود. قطر، طول و خواص مواد شفت، مکان‌های سرعت بحرانی را تعیین می‌کنند و نیاز به تجزیه و تحلیل طراحی دقیق برای هر کاربرد دارند.

ویژگی‌های ارتعاش در شرایط عملیاتی مختلف

عملکرد لوکوموتیو شرایط عملیاتی متنوعی را ارائه می‌دهد که به طور قابل توجهی بر امضاهای ارتعاشی و تفسیر تشخیصی تأثیر می‌گذارد. آزمایش استاتیک با لوکوموتیوهایی که روی پایه‌های تعمیر و نگهداری قرار دارند، ارتعاشات ناشی از ریل و نیروهای تعامل چرخ-ریل را از بین می‌برد و شرایط کنترل‌شده‌ای را برای اندازه‌گیری‌های پایه فراهم می‌کند.

سیستم‌های تعلیق چرخ‌دنده، بدنه لوکوموتیو را از ارتعاشات چرخ‌دنده‌ها در طول عملکرد عادی جدا می‌کنند، اما ممکن است در فرکانس‌های خاص اثرات رزونانس ایجاد کنند. فرکانس‌های طبیعی سیستم تعلیق اولیه معمولاً از ۱ تا ۳ هرتز برای حالت‌های عمودی و ۰.۵ تا ۱.۵ هرتز برای حالت‌های جانبی متغیر است که به طور بالقوه بر انتقال ارتعاشات فرکانس پایین تأثیر می‌گذارد.

بی‌نظمی‌های خط آهن، ارتعاشات چرخ و محور را در محدوده فرکانسی وسیعی بسته به سرعت قطار و شرایط خط آهن تحریک می‌کنند. اتصالات ریل، ضربات دوره‌ای در فرکانس‌های تعیین‌شده توسط طول ریل و سرعت قطار ایجاد می‌کنند، در حالی که تغییرات در ضخامت خط آهن، ارتعاشات جانبی ایجاد می‌کند که با حالت‌های برخورد چرخ و محور همراه است.

نیروهای کششی و ترمزی، بارگذاری اضافی را ایجاد می‌کنند که بر توزیع بار یاتاقان و ویژگی‌های شبکه چرخ‌دنده تأثیر می‌گذارد. بارهای کششی بالا، تنش‌های تماس دندانه چرخ‌دنده را افزایش می‌دهند و ممکن است نواحی بار را در یاتاقان‌های چرخ‌دنده تغییر دهند و الگوهای ارتعاش را در مقایسه با شرایط بدون بار تغییر دهند.

ویژگی‌های ارتعاشی ماشین کمکی

سیستم‌های فن خنک‌کننده از طرح‌های مختلف پروانه استفاده می‌کنند که امضاهای ارتعاشی متمایزی ایجاد می‌کنند. فن‌های گریز از مرکز، ارتعاش فرکانس عبور پره را با دامنه‌ای بسته به تعداد پره، سرعت چرخش و بارگذاری آیرودینامیکی ایجاد می‌کنند. فن‌های محوری فرکانس‌های عبور پره مشابهی تولید می‌کنند اما به دلیل تفاوت در الگوی جریان، محتوای هارمونیک متفاوتی دارند.

عدم تعادل فن، ارتعاشی در فرکانس چرخشی با دامنه متناسب با مجذور سرعت ایجاد می‌کند، مشابه سایر ماشین‌آلات دوار. با این حال، نیروهای آیرودینامیکی ناشی از رسوب، فرسایش یا آسیب پره‌ها ممکن است اجزای ارتعاشی اضافی ایجاد کنند که تفسیر تشخیصی را پیچیده می‌کند.

سیستم‌های کمپرسور هوا معمولاً از طرح‌های رفت و برگشتی استفاده می‌کنند که در فرکانس چرخش میل‌لنگ و هارمونیک‌های آن، ارتعاش ایجاد می‌کنند. تعداد سیلندرها و توالی احتراق، میزان هارمونیک‌ها را تعیین می‌کند، به طوری که سیلندرهای بیشتر عموماً عملکرد روان‌تر و سطح ارتعاش پایین‌تری را ایجاد می‌کنند.

ارتعاشات پمپ هیدرولیک به نوع پمپ و شرایط عملیاتی بستگی دارد. پمپ‌های دنده‌ای ارتعاش فرکانس مش مشابه سیستم‌های چرخ‌دنده ایجاد می‌کنند، در حالی که پمپ‌های پره‌ای ارتعاش فرکانس عبور تیغه ایجاد می‌کنند. پمپ‌های جابجایی متغیر ممکن است الگوهای ارتعاش پیچیده‌ای را نشان دهند که با تنظیمات جابجایی و شرایط بار تغییر می‌کنند.

اثرات سیستم پشتیبانی و نصب شفت

سختی محفظه یاتاقان به طور قابل توجهی بر انتقال ارتعاش از اجزای چرخان به سازه‌های ثابت تأثیر می‌گذارد. محفظه‌های انعطاف‌پذیر ممکن است انتقال ارتعاش را کاهش دهند اما امکان حرکت بزرگتر شفت را فراهم می‌کنند که می‌تواند بر فواصل داخلی و توزیع بار تأثیر بگذارد.

سختی فونداسیون و نحوه نصب، بر فرکانس‌های رزونانس سازه و ویژگی‌های تقویت ارتعاش تأثیر می‌گذارند. سیستم‌های نصب نرم، ایزولاسیون ارتعاش را فراهم می‌کنند، اما ممکن است رزونانس‌های فرکانس پایین ایجاد کنند که ارتعاش ناشی از عدم تعادل را تقویت می‌کنند.

کوپلینگ بین چندین شفت از طریق المان‌های انعطاف‌پذیر یا مش‌های چرخ‌دنده، سیستم‌های دینامیکی پیچیده‌ای با فرکانس‌های طبیعی و شکل‌های مدی متعدد ایجاد می‌کند. این سیستم‌های کوپلینگ شده ممکن است فرکانس‌های ضرب را زمانی که فرکانس‌های اجزای منفرد کمی متفاوت هستند، نشان دهند و الگوهای مدولاسیون دامنه را در اندازه‌گیری‌های ارتعاش ایجاد کنند.

۲.۳.۱.۵ تجهیزات فنی و نرم‌افزارهای پایش و تشخیص ارتعاش

الزامات سیستم‌های اندازه‌گیری و تحلیل ارتعاش

تشخیص ارتعاش مؤثر اجزای لوکوموتیو راه‌آهن نیازمند قابلیت‌های اندازه‌گیری و تحلیل پیچیده‌ای است که چالش‌های منحصر به فرد محیط‌های راه‌آهن را برطرف کند. سیستم‌های تحلیل ارتعاش مدرن باید طیف دینامیکی وسیع، وضوح فرکانس بالا و عملکرد قوی در شرایط سخت محیطی از جمله دمای بسیار بالا، تداخل الکترومغناطیسی و شوک مکانیکی را ارائه دهند.

الزامات محدوده دینامیکی برای کاربردهای لوکوموتیو معمولاً از 80 دسی‌بل فراتر می‌رود تا هم خطاهای اولیه با دامنه کم و هم ارتعاش عملیاتی با دامنه بالا را ثبت کند. این محدوده، اندازه‌گیری‌هایی از میکرومتر بر ثانیه برای نقص‌های اولیه یاتاقان تا صدها میلی‌متر بر ثانیه برای شرایط عدم تعادل شدید را در بر می‌گیرد.

تفکیک‌پذیری فرکانسی، توانایی جداسازی اجزای طیفی نزدیک به هم و شناسایی الگوهای مدولاسیون مشخصه انواع خاص خطا را تعیین می‌کند. پهنای باند تفکیک‌پذیری نباید از 1% کمترین فرکانس مورد نظر تجاوز کند، که مستلزم انتخاب دقیق پارامترهای تحلیل برای هر کاربرد اندازه‌گیری است.

پایداری دما، دقت اندازه‌گیری را در طیف وسیعی از دماهای مورد استفاده در کاربردهای لوکوموتیو تضمین می‌کند. سیستم‌های اندازه‌گیری باید دقت کالیبراسیون را در محدوده ±5% در محدوده دمایی از -40°C تا +70°C حفظ کنند تا تغییرات فصلی و اثرات گرمایشی تجهیزات را در نظر بگیرند.

شاخص‌های وضعیت یاتاقان با استفاده از ارتعاشات اولتراسونیک

آنالیز ارتعاشات اولتراسونیک با نظارت بر انتشار فرکانس بالا از تماس ناهمواری‌های سطح و تجزیه فیلم روانکاری، اولین تشخیص ممکن از فرسودگی یاتاقان را فراهم می‌کند. این پدیده‌ها هفته‌ها یا ماه‌ها قبل از علائم ارتعاشات مرسوم، برنامه‌ریزی پیشگیرانه تعمیر و نگهداری را امکان‌پذیر می‌کنند.

اندازه‌گیری‌های انرژی اسپایک، انتشار امواج فراصوت ضربه‌ای را با استفاده از فیلترهای تخصصی که رویدادهای گذرا را برجسته می‌کنند و در عین حال نویز پس‌زمینه حالت پایدار را سرکوب می‌کنند، کمی‌سازی می‌کنند. این تکنیک از فیلترینگ بالاگذر بالای ۵ کیلوهرتز و به دنبال آن تشخیص پوشش و محاسبه RMS در بازه‌های زمانی کوتاه استفاده می‌کند.

تحلیل پوشش فرکانس بالا (HFE) اطلاعات مدولاسیون دامنه را از سیگنال‌های حامل فراصوت استخراج می‌کند و الگوهای مدولاسیون فرکانس پایین مربوط به فرکانس‌های نقص یاتاقان را آشکار می‌سازد. این رویکرد، حساسیت فراصوت را با قابلیت‌های تحلیل فرکانس مرسوم ترکیب می‌کند.

روش پالس ضربه (SPM) دامنه‌های پیک گذراهای فراصوت را با استفاده از مبدل‌های رزونانس تخصصی تنظیم‌شده روی تقریباً 32 کیلوهرتز اندازه‌گیری می‌کند. این تکنیک شاخص‌های وضعیت یاتاقان بدون بعد را ارائه می‌دهد که به خوبی با شدت آسیب یاتاقان مرتبط هستند.

شاخص‌های وضعیت اولتراسونیک برای تعیین مقادیر پایه و نرخ پیشرفت آسیب، نیاز به کالیبراسیون و روندیابی دقیق دارند. عوامل محیطی از جمله دما، بارگذاری و شرایط روانکاری به طور قابل توجهی بر مقادیر شاخص تأثیر می‌گذارند و نیاز به پایگاه‌های داده جامع پایه را ضروری می‌سازند.

تحلیل مدولاسیون ارتعاش فرکانس بالا

یاتاقان‌های غلتشی به دلیل تغییرات بار دوره‌ای، الگوهای مدولاسیون مشخصه را در ارتعاشات فرکانس بالا ایجاد می‌کنند، زیرا عناصر غلتشی با عیوب حلقه‌ای مواجه می‌شوند. این الگوهای مدولاسیون به صورت نوارهای جانبی در اطراف فرکانس‌های رزونانس ساختاری و فرکانس‌های طبیعی یاتاقان ظاهر می‌شوند.

تکنیک‌های تحلیل پوششی، اطلاعات مدولاسیون را با فیلتر کردن سیگنال‌های ارتعاشی برای جداسازی باندهای فرکانسی حاوی رزونانس‌های یاتاقان، اعمال تشخیص پوششی برای بازیابی تغییرات دامنه و تحلیل طیف پوششی برای شناسایی فرکانس‌های نقص، استخراج می‌کنند.

شناسایی رزونانس برای تحلیل مؤثر پوشش یاتاقان بسیار مهم است زیرا تحریک ضربه یاتاقان ترجیحاً رزونانس‌های ساختاری خاصی را تحریک می‌کند. آزمایش سینوس جاروبی یا تحلیل مودال ضربه به شناسایی باندهای فرکانسی بهینه برای تحلیل پوشش یاتاقان در هر موقعیت یاتاقان کمک می‌کند.

تکنیک‌های فیلتر دیجیتال برای تحلیل پوش شامل فیلترهای پاسخ ضربه محدود (FIR) که ویژگی‌های فاز خطی ارائه می‌دهند و از اعوجاج سیگنال جلوگیری می‌کنند، و فیلترهای پاسخ ضربه نامحدود (IIR) که ویژگی‌های افت شدید را با نیازهای محاسباتی کاهش‌یافته ارائه می‌دهند، می‌شود.

پارامترهای تحلیل طیف پوششی به طور قابل توجهی بر حساسیت و دقت تشخیصی تأثیر می‌گذارند. پهنای باند فیلتر باید رزونانس ساختاری را در بر بگیرد و رزونانس‌های مجاور را حذف کند، و طول پنجره تحلیل باید وضوح فرکانسی کافی را برای جداسازی فرکانس‌های نقص یاتاقان و هارمونیک‌های آنها فراهم کند.

سیستم‌های جامع مانیتورینگ تجهیزات دوار

مراکز مدرن تعمیر و نگهداری لوکوموتیو از سیستم‌های نظارت یکپارچه‌ای استفاده می‌کنند که چندین تکنیک تشخیصی را برای ارائه ارزیابی جامع از وضعیت تجهیزات دوار ترکیب می‌کنند. این سیستم‌ها تجزیه و تحلیل ارتعاش را با تجزیه و تحلیل روغن، نظارت حرارتی و پارامترهای عملکرد ادغام می‌کنند تا دقت تشخیص را افزایش دهند.

آنالایزرهای ارتعاش قابل حمل به عنوان ابزارهای تشخیصی اولیه برای ارزیابی وضعیت دوره‌ای در طول فواصل تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی شده عمل می‌کنند. این ابزارها تجزیه و تحلیل طیفی، ثبت شکل موج زمانی و الگوریتم‌های تشخیص خودکار خطا را که برای کاربردهای لوکوموتیو بهینه شده‌اند، ارائه می‌دهند.

سیستم‌های نظارتی نصب‌شده دائمی، نظارت مداوم بر اجزای حیاتی را در حین کار امکان‌پذیر می‌کنند. این سیستم‌ها از شبکه‌های حسگر توزیع‌شده، انتقال داده‌های بی‌سیم و الگوریتم‌های تجزیه و تحلیل خودکار برای ارزیابی وضعیت در لحظه و تولید هشدار استفاده می‌کنند.

قابلیت‌های یکپارچه‌سازی داده‌ها، اطلاعات حاصل از چندین تکنیک تشخیصی را برای بهبود قابلیت اطمینان تشخیص خطا و کاهش نرخ هشدارهای کاذب ترکیب می‌کنند. الگوریتم‌های ادغام، سهم روش‌های تشخیصی مختلف را بر اساس اثربخشی آنها برای انواع خاص خطا و شرایط عملیاتی، وزن‌دهی می‌کنند.

فناوری‌ها و روش‌های نصب حسگر

انتخاب حسگر ارتعاش به طور قابل توجهی بر کیفیت اندازه‌گیری و اثربخشی تشخیصی تأثیر می‌گذارد. شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک پاسخ فرکانسی و حساسیت عالی را برای اکثر کاربردهای لوکوموتیو ارائه می‌دهند، در حالی که مبدل‌های سرعت الکترومغناطیسی پاسخ فرکانسی پایین بهتری را برای ماشین‌آلات دوار بزرگ ارائه می‌دهند.

روش‌های نصب حسگر به طور قابل توجهی بر دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارند. گل‌میخ‌های رزوه‌دار، اتصال مکانیکی بهینه را برای نصب‌های دائمی فراهم می‌کنند، در حالی که نصب مغناطیسی، اندازه‌گیری‌های دوره‌ای روی سطوح فرومغناطیسی را آسان می‌کند. نصب چسبی برای سطوح غیر فرومغناطیسی مناسب است، اما به آماده‌سازی سطح و زمان خشک شدن نیاز دارد.

جهت‌گیری حسگر بر حساسیت اندازه‌گیری به حالت‌های مختلف ارتعاش تأثیر می‌گذارد. اندازه‌گیری‌های شعاعی، عدم تعادل و ناهم‌ترازی را به طور مؤثرتری تشخیص می‌دهند، در حالی که اندازه‌گیری‌های محوری، مشکلات یاتاقان محوری و ناهم‌ترازی کوپلینگ را آشکار می‌کنند. اندازه‌گیری‌های مماسی اطلاعات منحصر به فردی در مورد ارتعاش پیچشی و دینامیک شبکه چرخ‌دنده‌ها ارائه می‌دهند.

حفاظت از محیط زیست مستلزم توجه دقیق به دماهای بسیار بالا، قرار گرفتن در معرض رطوبت و تداخل الکترومغناطیسی است. شتاب‌سنج‌های مهر و موم شده با کابل‌های یکپارچه، در مقایسه با طرح‌های کانکتور قابل جدا شدن در محیط‌های خشن راه‌آهن، قابلیت اطمینان بالاتری را ارائه می‌دهند.

آماده‌سازی سیگنال و جمع‌آوری داده‌ها

مدارهای الکترونیکی آماده‌سازی سیگنال، تحریک، تقویت و فیلتر کردن حسگر را که برای اندازه‌گیری دقیق ارتعاش لازم است، فراهم می‌کنند. مدارهای تحریک جریان ثابت، شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک را تغذیه می‌کنند و در عین حال امپدانس ورودی بالا را برای حفظ حساسیت حسگر حفظ می‌کنند.

فیلترهای ضد لغزش با تضعیف اجزای سیگنال بالاتر از فرکانس نایکوئیست، از ایجاد مصنوعات تاخوردگی فرکانس در طول تبدیل آنالوگ به دیجیتال جلوگیری می‌کنند. این فیلترها باید ضمن حفظ پاسخ باند عبور مسطح برای حفظ وفاداری سیگنال، حذف باند توقف کافی را فراهم کنند.

وضوح تبدیل آنالوگ به دیجیتال، محدوده دینامیکی اندازه‌گیری و دقت را تعیین می‌کند. تبدیل ۲۴ بیتی، محدوده دینامیکی نظری ۱۴۴ دسی‌بل را فراهم می‌کند که امکان اندازه‌گیری همزمان علائم خطای کم دامنه و ارتعاش عملیاتی با دامنه بالا را در یک اندازه‌گیری فراهم می‌کند.

انتخاب فرکانس نمونه‌برداری از معیار نایکوئیست پیروی می‌کند که مستلزم نرخ نمونه‌برداری حداقل دو برابر بالاترین فرکانس مورد نظر است. پیاده‌سازی‌های عملی از نسبت‌های نمونه‌برداری بیش از حد 2.5:1 تا 4:1 برای تطبیق با باندهای انتقال فیلتر ضد لغزش و ارائه انعطاف‌پذیری در تجزیه و تحلیل استفاده می‌کنند.

انتخاب نقطه اندازه‌گیری و جهت‌یابی

پایش مؤثر ارتعاش مستلزم انتخاب سیستماتیک مکان‌های اندازه‌گیری است که حداکثر حساسیت را به شرایط خطا ارائه دهند و در عین حال تداخل منابع ارتعاش خارجی را به حداقل برسانند. نقاط اندازه‌گیری باید تا حد امکان نزدیک به تکیه‌گاه‌های یاتاقان و سایر مسیرهای بار بحرانی قرار گیرند.

اندازه‌گیری‌های محفظه یاتاقان، اطلاعات مستقیمی در مورد وضعیت یاتاقان و دینامیک داخلی ارائه می‌دهند. اندازه‌گیری‌های شعاعی روی محفظه یاتاقان، عدم تعادل، ناهم‌ترازی و عیوب یاتاقان را به طور مؤثر تشخیص می‌دهند، در حالی که اندازه‌گیری‌های محوری، بارگذاری محوری و مشکلات کوپلینگ را آشکار می‌کنند.

اندازه‌گیری‌های قاب موتور، ارتعاش الکترومغناطیسی و وضعیت کلی موتور را ثبت می‌کنند، اما ممکن است به دلیل تضعیف ارتعاش از طریق ساختار موتور، حساسیت کمتری نسبت به عیوب یاتاقان نشان دهند. این اندازه‌گیری‌ها، اندازه‌گیری‌های محفظه یاتاقان را برای ارزیابی جامع موتور تکمیل می‌کنند.

اندازه‌گیری‌های پوسته چرخ‌دنده، ارتعاش شبکه چرخ‌دنده و دینامیک داخلی چرخ‌دنده را تشخیص می‌دهد، اما به دلیل مسیرهای انتقال ارتعاش پیچیده و منابع تحریک متعدد، نیاز به تفسیر دقیق دارد. مکان‌های اندازه‌گیری نزدیک خطوط مرکزی شبکه چرخ‌دنده، حداکثر حساسیت را به مشکلات مربوط به شبکه ارائه می‌دهند.

انتخاب حالت عملیاتی برای آزمایش تشخیصی

اثربخشی آزمایش تشخیصی به شدت به انتخاب شرایط عملیاتی مناسب بستگی دارد که ضمن حفظ ایمنی و حفاظت از تجهیزات، تحریک بهینه ارتعاش مرتبط با خطا را فراهم می‌کند. حالت‌های عملیاتی مختلف، جنبه‌های مختلفی از وضعیت اجزا و توسعه خطا را آشکار می‌کنند.

آزمایش بدون بار، منابع ارتعاش وابسته به بار را حذف می‌کند و اندازه‌گیری‌های پایه را برای مقایسه با شرایط بارگذاری ارائه می‌دهد. این حالت، عدم تعادل، ناهمراستایی و مشکلات الکترومغناطیسی را به وضوح نشان می‌دهد و در عین حال ارتعاش شبکه دنده و اثرات بار یاتاقان را به حداقل می‌رساند.

آزمایش بارگذاری در سطوح مختلف توان، پدیده‌های وابسته به بار از جمله دینامیک شبکه چرخ‌دنده، اثرات توزیع بار یاتاقان و تأثیرات بارگذاری الکترومغناطیسی را آشکار می‌کند. بارگذاری پیش‌رونده به تمایز بین منابع ارتعاش مستقل از بار و وابسته به بار کمک می‌کند.

آزمایش جهت‌دار با چرخش رو به جلو و معکوس، اطلاعات تشخیصی بیشتری در مورد مشکلات نامتقارن مانند الگوهای سایش دندانه‌های چرخ‌دنده، تغییرات پیش‌بار یاتاقان و ویژگی‌های سایش کوپلینگ ارائه می‌دهد. برخی از عیوب حساسیت جهت‌دار نشان می‌دهند که به مکان‌یابی عیوب کمک می‌کند.

آزمایش روبش فرکانس در طول راه‌اندازی و خاموش شدن، رفتار ارتعاش را در کل محدوده سرعت عملیاتی ثبت می‌کند و شرایط رزونانس و پدیده‌های وابسته به سرعت را آشکار می‌سازد. این اندازه‌گیری‌ها به شناسایی سرعت‌های بحرانی و مکان‌های فرکانس طبیعی کمک می‌کنند.

اثرات روانکاری بر علائم تشخیصی

شرایط روانکاری به طور قابل توجهی بر امضاهای ارتعاشی و تفسیر تشخیصی، به ویژه برای کاربردهای نظارت بر یاتاقان، تأثیر می‌گذارد. روانکار تازه، میرایی مؤثری را فراهم می‌کند که انتقال ارتعاش را کاهش می‌دهد در حالی که روانکار آلوده یا تخریب شده ممکن است امضاهای خطا را تقویت کند.

تغییرات ویسکوزیته روان‌کننده با دما، بر دینامیک و ویژگی‌های ارتعاشی یاتاقان تأثیر می‌گذارد. روان‌کننده سرد، میرایی ویسکوز را افزایش می‌دهد و ممکن است عیوب اولیه یاتاقان را بپوشاند، در حالی که روان‌کننده بیش از حد گرم شده، میرایی و محافظت کمتری را فراهم می‌کند.

روان‌کننده آلوده حاوی ذرات سایش، آب یا مواد خارجی، از طریق تماس ساینده و تلاطم جریان، منابع ارتعاش اضافی ایجاد می‌کند. این اثرات ممکن است علائم خطای واقعی را تحت الشعاع قرار داده و تفسیر تشخیصی را پیچیده کند.

مشکلات سیستم روانکاری شامل جریان ناکافی، تغییرات فشار و بی‌نظمی‌های توزیع، شرایط بار متغیر با زمان را در یاتاقان ایجاد می‌کنند که بر الگوهای ارتعاش تأثیر می‌گذارند. همبستگی بین عملکرد سیستم روانکاری و ویژگی‌های ارتعاش، اطلاعات تشخیصی ارزشمندی را ارائه می‌دهد.

تشخیص خطای اندازه‌گیری و کنترل کیفیت

تشخیص قابل اعتماد نیاز به شناسایی سیستماتیک و حذف خطاهای اندازه‌گیری دارد که می‌تواند منجر به نتیجه‌گیری‌های نادرست و اقدامات تعمیر و نگهداری غیرضروری شود. منابع خطای رایج شامل مشکلات نصب حسگر، تداخل الکتریکی و پارامترهای اندازه‌گیری نامناسب است.

تأیید نصب حسگر از تکنیک‌های ساده‌ای شامل آزمایش‌های تحریک دستی، اندازه‌گیری‌های مقایسه‌ای در مکان‌های مجاور و تأیید پاسخ فرکانسی با استفاده از منابع تحریک شناخته‌شده استفاده می‌کند. نصب شل معمولاً حساسیت فرکانس بالا را کاهش می‌دهد و ممکن است رزونانس‌های کاذب ایجاد کند.

تشخیص تداخل الکتریکی شامل شناسایی اجزای طیفی در فرکانس خط (50/60 هرتز) و هارمونیک‌های آن، مقایسه اندازه‌گیری‌ها با قطع برق و ارزیابی انسجام بین سیگنال‌های ارتعاشی و الکتریکی است. اتصال زمین و شیلد مناسب، اکثر منابع تداخل را از بین می‌برد.

تأیید پارامتر شامل تأیید واحدهای اندازه‌گیری، تنظیمات محدوده فرکانس و پارامترهای تحلیل است. انتخاب نادرست پارامتر می‌تواند منجر به مصنوعات اندازه‌گیری شود که امضاهای خطای واقعی را تقلید می‌کنند.

معماری سیستم‌های تشخیصی یکپارچه

مراکز مدرن تعمیر و نگهداری لوکوموتیو از سیستم‌های تشخیصی یکپارچه‌ای استفاده می‌کنند که تکنیک‌های متعدد پایش وضعیت را با قابلیت‌های مدیریت و تحلیل متمرکز داده‌ها ترکیب می‌کنند. این سیستم‌ها ضمن کاهش نیازهای جمع‌آوری و تحلیل دستی داده‌ها، ارزیابی جامعی از تجهیزات ارائه می‌دهند.

شبکه‌های حسگر توزیع‌شده امکان نظارت همزمان بر چندین جزء در کل لوکوموتیو را فراهم می‌کنند. گره‌های حسگر بی‌سیم پیچیدگی نصب و الزامات نگهداری را کاهش می‌دهند و در عین حال انتقال داده‌ها را به صورت بلادرنگ به سیستم‌های پردازش مرکزی فراهم می‌کنند.

الگوریتم‌های تحلیل خودکار، جریان‌های داده ورودی را پردازش می‌کنند تا مشکلات در حال توسعه را شناسایی کرده و توصیه‌های تعمیر و نگهداری ارائه دهند. تکنیک‌های یادگیری ماشین، پارامترهای الگوریتم را بر اساس داده‌های تاریخی و نتایج تعمیر و نگهداری تطبیق می‌دهند تا دقت تشخیص را در طول زمان بهبود بخشند.

یکپارچه‌سازی پایگاه داده، نتایج تحلیل ارتعاش را با تاریخچه تعمیر و نگهداری، شرایط عملیاتی و مشخصات قطعات ترکیب می‌کند تا ارزیابی جامع تجهیزات و پشتیبانی از برنامه‌ریزی تعمیر و نگهداری را فراهم کند.

۲.۳.۱.۶. پیاده‌سازی عملی فناوری اندازه‌گیری ارتعاش

آشنایی و راه اندازی سیستم عیب یابی

تشخیص ارتعاش موثر با درک کامل از قابلیت‌ها و محدودیت‌های تجهیزات تشخیصی آغاز می‌شود. آنالایزرهای قابل حمل مدرن، عملکردهای اندازه‌گیری و تحلیل چندگانه را ادغام می‌کنند و نیاز به آموزش سیستماتیک برای استفاده موثر از تمام ویژگی‌های موجود دارند.

پیکربندی سیستم شامل ایجاد پارامترهای اندازه‌گیری مناسب برای کاربردهای لوکوموتیو از جمله محدوده‌های فرکانس، تنظیمات وضوح و انواع تحلیل است. پیکربندی‌های پیش‌فرض به ندرت عملکرد بهینه را برای کاربردهای خاص ارائه می‌دهند و نیاز به سفارشی‌سازی بر اساس ویژگی‌های اجزا و اهداف تشخیصی دارند.

تأیید کالیبراسیون، دقت اندازه‌گیری و قابلیت ردیابی به استانداردهای ملی را تضمین می‌کند. این فرآیند شامل اتصال منابع کالیبراسیون دقیق و تأیید پاسخ سیستم در کل محدوده فرکانس و دامنه مورد استفاده برای اندازه‌گیری‌های تشخیصی است.

راه‌اندازی پایگاه داده، سلسله مراتب تجهیزات، تعاریف نقاط اندازه‌گیری و پارامترهای تحلیل را برای هر جزء تحت نظارت ایجاد می‌کند. سازماندهی مناسب پایگاه داده، جمع‌آوری کارآمد داده‌ها را تسهیل کرده و امکان مقایسه خودکار با روندهای تاریخی و محدودیت‌های هشدار را فراهم می‌کند.

توسعه مسیر و پیکربندی پایگاه داده

توسعه مسیر شامل شناسایی سیستماتیک نقاط و توالی‌های اندازه‌گیری است که پوشش جامعی از اجزای حیاتی را فراهم می‌کند و در عین حال کارایی جمع‌آوری داده‌ها را بهینه می‌سازد. مسیرهای مؤثر، کامل بودن تشخیص را با محدودیت‌های زمانی عملی متعادل می‌کنند.

انتخاب نقطه اندازه‌گیری، مکان‌ها را در اولویت قرار می‌دهد و حداکثر حساسیت را به شرایط خطای احتمالی ارائه می‌دهد و در عین حال، قرارگیری تکرارپذیر حسگر و دسترسی ایمن قابل قبول را تضمین می‌کند. هر نقطه اندازه‌گیری نیاز به مستندسازی مکان دقیق، جهت حسگر و پارامترهای اندازه‌گیری دارد.

سیستم‌های شناسایی اجزا، با پیوند دادن نقاط اندازه‌گیری با اقلام تجهیزات خاص، امکان سازماندهی و تجزیه و تحلیل خودکار داده‌ها را فراهم می‌کنند. سازماندهی سلسله مراتبی، تجزیه و تحلیل و مقایسه اجزای مشابه در چندین لوکوموتیو را در کل ناوگان تسهیل می‌کند.

تعریف پارامترهای تحلیل، محدوده‌های فرکانسی، تنظیمات تفکیک‌پذیری و گزینه‌های پردازش مناسب برای هر نقطه اندازه‌گیری را تعیین می‌کند. مکان‌های یاتاقان به قابلیت فرکانس بالا با گزینه‌های تحلیل پوششی نیاز دارند، در حالی که اندازه‌گیری‌های تعادل و هم‌ترازی بر عملکرد فرکانس پایین تأکید دارند.

مراحل بازرسی چشمی و آماده‌سازی

بازرسی چشمی، اطلاعات ضروری در مورد وضعیت قطعات و پیچیدگی‌های احتمالی اندازه‌گیری را قبل از انجام اندازه‌گیری‌های ارتعاشی ارائه می‌دهد. این بازرسی مشکلات آشکاری را که ممکن است نیازی به تحلیل دقیق ارتعاش نداشته باشند، آشکار می‌کند و در عین حال عواملی را که می‌توانند بر کیفیت اندازه‌گیری تأثیر بگذارند، شناسایی می‌کند.

بازرسی سیستم روانکاری شامل تأیید سطح روانکار، شواهد نشتی و شاخص‌های آلودگی است. روانکاری ناکافی بر ویژگی‌های ارتعاش تأثیر می‌گذارد و ممکن است نشان‌دهنده خرابی‌های قریب‌الوقوع باشد که صرف نظر از سطح ارتعاش، نیاز به توجه فوری دارند.

بازرسی سخت‌افزار نصب، پیچ‌های شل، اجزای آسیب‌دیده و مشکلات ساختاری را که می‌توانند بر انتقال ارتعاش یا نصب سنسور تأثیر بگذارند، شناسایی می‌کند. این مشکلات ممکن است قبل از امکان‌پذیر شدن اندازه‌گیری‌های قابل اعتماد، نیاز به اصلاح داشته باشند.

آماده‌سازی سطح برای نصب سنسور شامل تمیز کردن سطوح اندازه‌گیری، از بین بردن رنگ یا خوردگی و اطمینان از درگیری کافی رزوه برای گل‌میخ‌های نصب دائمی است. آماده‌سازی مناسب سطح مستقیماً بر کیفیت اندازه‌گیری و تکرارپذیری تأثیر می‌گذارد.

ارزیابی خطرات محیطی، نگرانی‌های ایمنی از جمله سطوح داغ، ماشین‌آلات دوار، خطرات الکتریکی و سازه‌های ناپایدار را شناسایی می‌کند. ملاحظات ایمنی ممکن است نیاز به رویه‌های خاص یا تجهیزات حفاظتی برای پرسنل اندازه‌گیری داشته باشد.

ایجاد حالت عملیاتی اجزا

اندازه‌گیری‌های تشخیصی نیاز به ایجاد شرایط عملیاتی ثابتی دارند که نتایج تکرارپذیر و حساسیت بهینه به شرایط خطا را فراهم کنند. انتخاب حالت عملیاتی به طراحی اجزا، ابزار دقیق موجود و محدودیت‌های ایمنی بستگی دارد.

عملکرد بدون بار، اندازه‌گیری‌های پایه را با حداقل تأثیرات خارجی ناشی از بارگذاری مکانیکی یا تغییرات بارگذاری الکتریکی فراهم می‌کند. این حالت مشکلات اساسی از جمله عدم تعادل، ناهم‌ترازی و خطاهای الکترومغناطیسی را به وضوح آشکار می‌کند.

عملکرد تحت بار در سطوح توان مشخص، پدیده‌های وابسته به بار را آشکار می‌کند که ممکن است در طول آزمایش بدون بار ظاهر نشوند. بارگذاری پیش‌رونده به شناسایی مشکلات حساس به بار کمک می‌کند و روابط شدت را برای اهداف روندیابی ایجاد می‌کند.

سیستم‌های کنترل سرعت، سرعت‌های چرخشی ثابتی را در طول اندازه‌گیری حفظ می‌کنند تا پایداری فرکانس را تضمین کرده و امکان تجزیه و تحلیل طیفی دقیق را فراهم کنند. تغییرات سرعت در طول اندازه‌گیری باعث ایجاد لکه‌های طیفی می‌شود که وضوح تجزیه و تحلیل و دقت تشخیصی را کاهش می‌دهد.

ایجاد تعادل حرارتی تضمین می‌کند که اندازه‌گیری‌ها نشان‌دهنده شرایط عملیاتی عادی هستند و نه اثرات گذرای راه‌اندازی. اکثر ماشین‌آلات دوار برای رسیدن به پایداری حرارتی و سطوح ارتعاش مناسب، به ۱۵ تا ۳۰ دقیقه کارکرد نیاز دارند.

اندازه‌گیری و تأیید سرعت چرخش

اندازه‌گیری دقیق سرعت دورانی، اطلاعات مرجع ضروری را برای تحلیل طیفی و محاسبات فرکانس خطا فراهم می‌کند. خطاهای اندازه‌گیری سرعت مستقیماً بر دقت تشخیص تأثیر می‌گذارند و ممکن است منجر به شناسایی نادرست خطا شوند.

تاکومترهای نوری، اندازه‌گیری سرعت غیرتماسی را با استفاده از نوار بازتابنده یا ویژگی‌های سطح طبیعی ارائه می‌دهند. این ابزارها دقت و مزایای ایمنی بالایی دارند، اما برای عملکرد قابل اعتماد، به دسترسی در خط دید و کنتراست سطح کافی نیاز دارند.

حسگرهای مغناطیسی عبور از ویژگی‌های فرومغناطیسی مانند دندانه‌های چرخ‌دنده یا شیارهای شفت را تشخیص می‌دهند. این حسگرها دقت عالی و ایمنی در برابر آلودگی را ارائه می‌دهند، اما نیاز به نصب حسگرها و تارگت‌ها روی اجزای چرخان دارند.

اندازه‌گیری سرعت استروبوسکوپی از چراغ‌های چشمک‌زن همزمان برای ایجاد تصاویر ثابت ظاهری از اجزای چرخان استفاده می‌کند. این تکنیک، تأیید بصری سرعت چرخش را فراهم می‌کند و امکان مشاهده رفتار دینامیکی را در حین کار فراهم می‌کند.

تأیید سرعت از طریق تحلیل طیفی شامل شناسایی پیک‌های طیفی برجسته مربوط به فرکانس‌های چرخشی شناخته شده و مقایسه با اندازه‌گیری‌های مستقیم سرعت است. این رویکرد، تأیید صحت اندازه‌گیری را فراهم می‌کند و به شناسایی مؤلفه‌های طیفی مرتبط با سرعت کمک می‌کند.

جمع‌آوری داده‌های ارتعاش چند نقطه‌ای

جمع‌آوری سیستماتیک داده‌های ارتعاش، مسیرهای از پیش تعیین‌شده و توالی‌های اندازه‌گیری را دنبال می‌کند تا پوشش جامعی را تضمین کند و در عین حال کیفیت و کارایی اندازه‌گیری را حفظ نماید. رویه‌های جمع‌آوری داده‌ها باید شرایط دسترسی و پیکربندی‌های مختلف تجهیزات را در نظر بگیرند.

تکرارپذیری قرارگیری حسگر، ثبات اندازه‌گیری بین جلسات متوالی جمع‌آوری داده‌ها را تضمین می‌کند. گل‌میخ‌های نصب دائمی، تکرارپذیری بهینه را فراهم می‌کنند اما ممکن است برای همه مکان‌های اندازه‌گیری عملی نباشند. روش‌های نصب موقت نیاز به مستندات دقیق و ابزارهای کمکی برای موقعیت‌یابی دارند.

ملاحظات زمان‌بندی اندازه‌گیری شامل زمان نشست کافی پس از نصب حسگر، مدت زمان اندازه‌گیری کافی برای دقت آماری و هماهنگی با برنامه‌های عملیاتی تجهیزات است. اندازه‌گیری‌های شتاب‌زده اغلب نتایج غیرقابل اعتمادی ایجاد می‌کنند که تفسیر تشخیصی را پیچیده می‌کند.

مستندسازی شرایط محیطی شامل دمای محیط، رطوبت و سطوح صوتی پس‌زمینه است که ممکن است بر کیفیت اندازه‌گیری یا تفسیر تأثیر بگذارند. شرایط شدید ممکن است نیاز به تعویق اندازه‌گیری یا اصلاح پارامترها داشته باشد.

ارزیابی کیفیت در زمان واقعی شامل نظارت بر ویژگی‌های سیگنال در طول جمع‌آوری داده‌ها برای شناسایی مشکلات اندازه‌گیری قبل از تکمیل جمع‌آوری داده‌ها است. آنالایزرهای مدرن نمایشگرهای طیفی و آمار سیگنال را ارائه می‌دهند که امکان ارزیابی فوری کیفیت را فراهم می‌کنند.

مانیتورینگ آکوستیک و اندازه‌گیری دما

پایش انتشار آکوستیک با تشخیص امواج تنش فرکانس بالای تولید شده توسط انتشار ترک، اصطکاک و پدیده‌های ضربه، آنالیز ارتعاش را تکمیل می‌کند. این اندازه‌گیری‌ها هشدار اولیه‌ای در مورد مشکلات در حال توسعه ارائه می‌دهند که ممکن است هنوز تغییرات ارتعاشی قابل اندازه‌گیری ایجاد نکنند.

دستگاه‌های شنود اولتراسونیک از طریق تکنیک‌های تغییر فرکانس که امواج فراصوت را به فرکانس‌های شنیداری تبدیل می‌کنند، امکان نظارت شنیداری بر وضعیت یاتاقان را فراهم می‌کنند. تکنسین‌های باتجربه می‌توانند صداهای مشخصه مرتبط با انواع خاص خطا را شناسایی کنند.

اندازه‌گیری‌های دما اطلاعات ضروری در مورد شرایط حرارتی اجزا را ارائه می‌دهند و به اعتبارسنجی نتایج تحلیل ارتعاش کمک می‌کنند. پایش دمای یاتاقان، مشکلات روانکاری و شرایط بارگذاری را که بر ویژگی‌های ارتعاش تأثیر می‌گذارند، آشکار می‌کند.

ترموگرافی مادون قرمز امکان اندازه‌گیری دما بدون تماس و شناسایی الگوهای حرارتی را فراهم می‌کند که نشان‌دهنده مشکلات مکانیکی است. نقاط داغ ممکن است نشان‌دهنده اصطکاک، عدم هم‌ترازی یا مشکلات روانکاری باشند که نیاز به توجه فوری دارند.

تحلیل روند دما همراه با تحلیل روند ارتعاش، ارزیابی جامعی از وضعیت قطعات و نرخ تخریب ارائه می‌دهد. افزایش همزمان دما و ارتعاش اغلب نشان‌دهنده تسریع فرآیندهای سایش است که نیاز به اقدام سریع تعمیر و نگهداری دارد.

تأیید کیفیت داده‌ها و تشخیص خطا

تأیید کیفیت اندازه‌گیری شامل ارزیابی سیستماتیک داده‌های به‌دست‌آمده برای شناسایی خطاهای احتمالی یا ناهنجاری‌هایی است که می‌تواند منجر به نتیجه‌گیری‌های تشخیصی نادرست شود. رویه‌های کنترل کیفیت باید بلافاصله پس از جمع‌آوری داده‌ها اعمال شوند، در حالی که شرایط اندازه‌گیری در حافظه تازه باقی می‌مانند.

شاخص‌های کیفیت تحلیل طیفی شامل کف نویز مناسب، عدم وجود آرتیفکت‌های واضح و محتوای فرکانسی معقول نسبت به منابع تحریک شناخته شده است. پیک‌های طیفی باید با فرکانس‌های مورد انتظار بر اساس سرعت‌های چرخشی و هندسه اجزا همسو باشند.

بررسی شکل موج زمانی، ویژگی‌های سیگنالی را آشکار می‌کند که ممکن است در تحلیل حوزه فرکانس آشکار نباشند. برش، آفست‌های DC و ناهنجاری‌های دوره‌ای، مشکلات سیستم اندازه‌گیری را نشان می‌دهند که نیاز به اصلاح قبل از تحلیل داده‌ها دارند.

تأیید تکرارپذیری شامل جمع‌آوری چندین اندازه‌گیری تحت شرایط یکسان برای ارزیابی ثبات اندازه‌گیری است. تغییرپذیری بیش از حد نشان دهنده شرایط عملیاتی ناپایدار یا مشکلات سیستم اندازه‌گیری است.

مقایسه تاریخی، زمینه را برای ارزیابی اندازه‌گیری‌های فعلی نسبت به داده‌های قبلی از همان نقاط اندازه‌گیری فراهم می‌کند. تغییرات ناگهانی ممکن است نشان‌دهنده مشکلات واقعی تجهیزات یا خطاهای اندازه‌گیری باشد که نیاز به بررسی دارند.

۲.۳.۱.۷. ارزیابی عملی وضعیت یاتاقان با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری اولیه

تحلیل خطای اندازه‌گیری و اعتبارسنجی داده‌ها

تشخیص قابل اعتماد یاتاقان نیاز به شناسایی سیستماتیک و حذف خطاهای اندازه‌گیری دارد که می‌توانند علائم خطای واقعی را پنهان کنند یا نشانه‌های کاذب ایجاد کنند. تجزیه و تحلیل خطا بلافاصله پس از جمع‌آوری داده‌ها آغاز می‌شود، در حالی که شرایط و رویه‌های اندازه‌گیری در حافظه واضح باقی می‌مانند.

اعتبارسنجی تحلیل طیفی شامل بررسی ویژگی‌های حوزه فرکانس برای مطابقت با منابع تحریک شناخته شده و قابلیت‌های سیستم اندازه‌گیری است. نشانه‌های نقص یاتاقان واقعی، روابط فرکانسی و الگوهای هارمونیکی خاصی را نشان می‌دهند که آنها را از مصنوعات اندازه‌گیری متمایز می‌کند.

تحلیل حوزه زمان، ویژگی‌های سیگنالی را آشکار می‌کند که ممکن است نشان‌دهنده مشکلات اندازه‌گیری از جمله بریدگی، تداخل الکتریکی و اختلالات مکانیکی باشند. سیگنال‌های نقص یاتاقان معمولاً ویژگی‌های ضربه‌ای با ضرایب اوج بالا و الگوهای دامنه تناوبی از خود نشان می‌دهند.

تحلیل روند تاریخی، زمینه ضروری را برای ارزیابی اندازه‌گیری‌های فعلی نسبت به داده‌های قبلی از مکان‌های اندازه‌گیری یکسان فراهم می‌کند. تغییرات تدریجی نشان‌دهنده تخریب واقعی تجهیزات هستند در حالی که تغییرات ناگهانی ممکن است نشان‌دهنده خطاهای اندازه‌گیری یا تأثیرات خارجی باشند.

تأیید بین کانالی شامل مقایسه اندازه‌گیری‌ها از چندین حسگر روی یک قطعه برای شناسایی حساسیت جهتی و تأیید وجود خطا است. نقص‌های یاتاقان معمولاً بر چندین جهت اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارند و در عین حال روابط فرکانسی مشخصه را حفظ می‌کنند.

ارزیابی عوامل محیطی، تأثیرات خارجی از جمله تغییرات دما، تغییرات بارگذاری و پس‌زمینه صوتی را که ممکن است بر کیفیت اندازه‌گیری یا تفسیر تأثیر بگذارند، در نظر می‌گیرد. همبستگی بین شرایط محیطی و ویژگی‌های ارتعاش، اطلاعات تشخیصی ارزشمندی را ارائه می‌دهد.

تأیید سرعت چرخش از طریق تحلیل طیفی

تعیین دقیق سرعت دورانی، پایه و اساس تمام محاسبات فرکانس خطای یاتاقان و تفسیر تشخیصی را فراهم می‌کند. آنالیز طیفی رویکردهای متعددی را برای تأیید سرعت ارائه می‌دهد که مکمل اندازه‌گیری‌های مستقیم تاکومتر هستند.

شناسایی فرکانس اساسی شامل یافتن پیک‌های طیفی مربوط به فرکانس چرخشی شفت است که به دلیل عدم تعادل باقیمانده یا عدم هم‌ترازی جزئی، باید در اکثر طیف‌های ماشین‌آلات دوار به طور برجسته ظاهر شوند. فرکانس اساسی، مرجع پایه برای تمام محاسبات هارمونیک و فرکانس یاتاقان را فراهم می‌کند.

تحلیل الگوی هارمونیک، رابطه بین فرکانس پایه و هارمونیک‌های آن را بررسی می‌کند تا دقت سرعت را تأیید کرده و مشکلات مکانیکی اضافی را شناسایی کند. عدم تعادل چرخشی خالص، عمدتاً ارتعاش فرکانس پایه را ایجاد می‌کند در حالی که مشکلات مکانیکی، هارمونیک‌های بالاتری ایجاد می‌کنند.

شناسایی فرکانس الکترومغناطیسی در کاربردهای موتور، اجزای فرکانس خط و فرکانس‌های عبور از شکاف را آشکار می‌کند که تأیید سرعت مستقل را فراهم می‌کنند. این فرکانس‌ها روابط ثابتی را با فرکانس منبع تغذیه و پارامترهای طراحی موتور حفظ می‌کنند.

شناسایی فرکانس مش چرخ‌دنده در سیستم‌های چرخ‌دنده‌دار، تعیین سرعت بسیار دقیقی را از طریق رابطه بین فرکانس مش و سرعت چرخش فراهم می‌کند. فرکانس‌های مش چرخ‌دنده معمولاً پیک‌های طیفی برجسته‌ای با نسبت سیگنال به نویز عالی تولید می‌کنند.

ارزیابی تغییرات سرعت، وضوح پیک طیفی و ساختار باند جانبی را برای ارزیابی پایداری سرعت در حین اندازه‌گیری بررسی می‌کند. ناپایداری سرعت باعث ایجاد لکه‌های طیفی و تولید باند جانبی می‌شود که دقت تجزیه و تحلیل را کاهش می‌دهد و ممکن است علائم نقص یاتاقان را بپوشاند.

محاسبه و شناسایی فرکانس عیوب یاتاقان

محاسبات فرکانس عیوب یاتاقان نیاز به داده‌های دقیق هندسه یاتاقان و اطلاعات دقیق سرعت چرخش دارد. این محاسبات فرکانس‌های نظری را ارائه می‌دهند که به عنوان الگوهایی برای شناسایی امضاهای واقعی عیوب یاتاقان در طیف‌های اندازه‌گیری شده عمل می‌کنند.

فرکانس عبور ساچمه (Ball Pass Frequency) حلقه بیرونی (Outer Ring) (BPFO) نشان دهنده نرخی است که در آن عناصر غلتشی با عیوب حلقه بیرونی مواجه می‌شوند. این فرکانس معمولاً بسته به هندسه یاتاقان و ویژگی‌های زاویه تماس، از 0.4 تا 0.6 برابر فرکانس چرخشی متغیر است.

فرکانس عبور ساچمه (BPFI) نرخ تماس عنصر غلتشی با عیوب حلقه داخلی را نشان می‌دهد. BPFI معمولاً به میزان 20-40% از BPFO بیشتر است و ممکن است به دلیل اثرات ناحیه بار، مدولاسیون دامنه را در فرکانس چرخشی نشان دهد.

فرکانس پایه قطار (FTF) نشان دهنده فرکانس چرخشی قفس است و معمولاً برابر با 0.35-0.45 برابر فرکانس چرخشی شفت است. نقص قفس یا مشکلات روانکاری ممکن است باعث ایجاد لرزش در FTF و هارمونیک های آن شود.

فرکانس چرخش ساچمه (BSF) فرکانس چرخش تک تک اجزای غلتشی را نشان می‌دهد و به ندرت در طیف‌های ارتعاشی ظاهر می‌شود، مگر اینکه اجزای غلتشی عیوب خاص یا تغییرات ابعادی را نشان دهند. شناسایی BSF به دلیل دامنه معمولاً کم آن، نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق دارد.

ملاحظات مربوط به تلرانس فرکانس، تغییرات تولید، اثرات بار و عدم قطعیت‌های اندازه‌گیری را که ممکن است باعث شوند فرکانس‌های نقص واقعی با محاسبات نظری متفاوت باشند، در نظر می‌گیرند. پهنای باند جستجوی ±5% در اطراف فرکانس‌های محاسبه‌شده، این تغییرات را در نظر می‌گیرد.

تشخیص الگوی طیفی و شناسایی خطا

شناسایی عیب یاتاقان نیازمند تکنیک‌های تشخیص الگوی سیستماتیک است که امضاهای عیب واقعی یاتاقان را از سایر منابع ارتعاش متمایز کند. هر نوع عیب، الگوهای طیفی مشخصی تولید می‌کند که در صورت تفسیر صحیح، تشخیص خاصی را ممکن می‌سازد.

علائم نقص حلقه بیرونی معمولاً به صورت پیک‌های طیفی گسسته در BPFO و هارمونیک‌های آن بدون مدولاسیون دامنه قابل توجه ظاهر می‌شوند. عدم وجود باندهای جانبی فرکانس چرخشی، نقص‌های حلقه بیرونی را از مشکلات حلقه داخلی متمایز می‌کند.

علائم نقص حلقه داخلی، فرکانس پایه BPFI را با باندهای کناری که در فواصل فرکانس چرخشی قرار دارند، نشان می‌دهند. این مدولاسیون دامنه ناشی از اثرات ناحیه بار است، زیرا ناحیه معیوب در شرایط بار متغیر می‌چرخد.

نشانه‌های نقص در المان غلتشی ممکن است در BSF ظاهر شوند یا باعث مدولاسیون فرکانس‌های دیگر یاتاقان شوند. این نقص‌ها اغلب الگوهای طیفی پیچیده‌ای ایجاد می‌کنند که برای تمایز از نقص‌های حلقه‌ای نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق دارند.

علائم نقص قفس معمولاً در FTF و هارمونیک‌های آن ظاهر می‌شوند، که اغلب با افزایش سطح نویز پس‌زمینه و ویژگی‌های دامنه ناپایدار همراه است. مشکلات قفس همچنین ممکن است فرکانس‌های دیگر یاتاقان را تعدیل کند.

پیاده‌سازی و تفسیر تحلیل پوششی

تحلیل پوششی، اطلاعات مدولاسیون دامنه را از ارتعاشات فرکانس بالا استخراج می‌کند تا الگوهای نقص یاتاقان در فرکانس پایین را آشکار سازد. این تکنیک به ویژه برای تشخیص نقص‌های یاتاقان در مراحل اولیه که ممکن است ارتعاشات فرکانس پایین قابل اندازه‌گیری ایجاد نکنند، مؤثر است.

انتخاب باند فرکانسی برای تحلیل پوش (پوش) نیازمند شناسایی رزونانس‌های ساختاری یا فرکانس‌های طبیعی یاتاقان است که توسط نیروهای ضربه‌ای یاتاقان تحریک می‌شوند. باندهای فرکانسی بهینه معمولاً بسته به اندازه یاتاقان و ویژگی‌های نصب، بین 1000 تا 8000 هرتز متغیر هستند.

پارامترهای طراحی فیلتر به طور قابل توجهی بر نتایج تحلیل پوششی تأثیر می‌گذارند. فیلترهای میان‌گذر باید پهنای باند کافی را برای ثبت ویژگی‌های رزونانس فراهم کنند و در عین حال رزونانس‌های مجاور را که ممکن است نتایج را آلوده کنند، حذف کنند. ویژگی‌های افت فیلتر بر پاسخ گذرا و حساسیت تشخیص ضربه تأثیر می‌گذارد.

تفسیر طیف پوششی از اصول مشابهی با آنالیز طیفی مرسوم پیروی می‌کند، اما به جای فرکانس‌های حامل، بر فرکانس‌های مدولاسیون تمرکز دارد. فرکانس‌های نقص یاتاقان به صورت پیک‌های گسسته در طیف‌های پوششی ظاهر می‌شوند که دامنه‌های آنها نشان‌دهنده شدت نقص است.

ارزیابی کیفیت تحلیل پوششی شامل ارزیابی انتخاب فیلتر، ویژگی‌های باند فرکانسی و نسبت سیگنال به نویز برای اطمینان از نتایج قابل اعتماد است. نتایج ضعیف تحلیل پوششی ممکن است نشان دهنده انتخاب نامناسب فیلتر یا تحریک رزونانس ساختاری ناکافی باشد.

ارزیابی دامنه و طبقه‌بندی شدت

ارزیابی شدت نقص یاتاقان مستلزم ارزیابی سیستماتیک دامنه‌های ارتعاش نسبت به معیارهای تعیین‌شده و روندهای تاریخی است. طبقه‌بندی شدت، برنامه‌ریزی تعمیر و نگهداری و ارزیابی ریسک را برای ادامه کار امکان‌پذیر می‌سازد.

معیارهای دامنه مطلق، دستورالعمل‌های کلی برای ارزیابی وضعیت یاتاقان‌ها بر اساس تجربیات و استانداردهای صنعتی ارائه می‌دهند. این معیارها معمولاً سطوح هشدار و آلارم را برای ارتعاش کلی و باندهای فرکانسی خاص تعیین می‌کنند.

تحلیل روند، تغییرات دامنه را در طول زمان ارزیابی می‌کند تا نرخ تخریب را ارزیابی کرده و عمر مفید باقی‌مانده را پیش‌بینی کند. رشد نمایی دامنه اغلب نشان‌دهنده آسیب شتاب‌دار است که نیاز به اقدام سریع تعمیر و نگهداری دارد.

تحلیل مقایسه‌ای، وضعیت یاتاقان را نسبت به یاتاقان‌های مشابه در کاربردهای یکسان ارزیابی می‌کند تا شرایط عملیاتی خاص و ویژگی‌های نصب را در نظر بگیرد. این رویکرد، ارزیابی شدت دقیق‌تری نسبت به معیارهای مطلق به تنهایی ارائه می‌دهد.

ادغام چند پارامتری، اطلاعات سطوح کلی ارتعاش، فرکانس‌های خاص نقص، نتایج تحلیل پوششی و اندازه‌گیری‌های دما را برای ارائه ارزیابی جامع یاتاقان ترکیب می‌کند. تحلیل تک پارامتری ممکن است اطلاعات ناقص یا گمراه‌کننده‌ای ارائه دهد.

اثرات ناحیه بار و تحلیل الگوی مدولاسیون

توزیع بار یاتاقان به طور قابل توجهی بر امضاهای ارتعاشی و تفسیر تشخیصی تأثیر می‌گذارد. اثرات ناحیه بار، الگوهای مدولاسیون دامنه را ایجاد می‌کنند که اطلاعات بیشتری در مورد وضعیت یاتاقان و ویژگی‌های بارگذاری ارائه می‌دهند.

مدولاسیون نقص حلقه داخلی زمانی رخ می‌دهد که نواحی معیوب در طول هر چرخش از میان مناطق بار متغیر می‌چرخند. حداکثر مدولاسیون زمانی رخ می‌دهد که نقص‌ها با موقعیت‌های بار حداکثر همسو شوند در حالی که حداقل مدولاسیون مربوط به موقعیت‌های بدون بار است.

شناسایی ناحیه بار از طریق تحلیل مدولاسیون، الگوهای بارگذاری یاتاقان را آشکار می‌کند و ممکن است نشان‌دهنده عدم هم‌ترازی، مشکلات فونداسیون یا توزیع بار غیرطبیعی باشد. الگوهای مدولاسیون نامتقارن نشان‌دهنده شرایط بارگذاری غیریکنواخت هستند.

تحلیل باند جانبی، مؤلفه‌های فرکانسی اطراف فرکانس‌های نقص یاتاقان را بررسی می‌کند تا عمق مدولاسیون را تعیین کرده و منابع مدولاسیون را شناسایی کند. باندهای جانبی فرکانس چرخشی، اثرات ناحیه بار را نشان می‌دهند در حالی که سایر فرکانس‌های باند جانبی ممکن است مشکلات دیگری را آشکار کنند.

تحلیل فازی الگوهای مدولاسیون، اطلاعاتی در مورد محل نقص نسبت به مناطق بار ارائه می‌دهد و می‌تواند به پیش‌بینی الگوهای پیشرفت آسیب کمک کند. تکنیک‌های پیشرفته تحلیل می‌توانند عمر باقی‌مانده یاتاقان را بر اساس ویژگی‌های مدولاسیون تخمین بزنند.

ادغام با تکنیک‌های تشخیصی مکمل

ارزیابی جامع یاتاقان، تجزیه و تحلیل ارتعاش را با تکنیک‌های تشخیصی مکمل ادغام می‌کند تا دقت را بهبود بخشد و میزان هشدارهای کاذب را کاهش دهد. رویکردهای تشخیصی چندگانه، تأیید شناسایی مشکل و ارزیابی شدت بهبود یافته را فراهم می‌کنند.

آنالیز روغن، ذرات سایش یاتاقان، میزان آلودگی و تخریب روانکار را نشان می‌دهد که با نتایج آنالیز ارتعاش همبستگی دارند. افزایش غلظت ذرات سایش اغلب چند هفته قبل از تغییرات ارتعاش قابل تشخیص، رخ می‌دهد.

نظارت بر دما، وضعیت حرارتی و سطح اصطکاک یاتاقان را به صورت بلادرنگ نشان می‌دهد. افزایش دما اغلب با افزایش ارتعاش در طول فرآیندهای تخریب یاتاقان همراه است.

پایش انتشار آکوستیک، امواج تنش فرکانس بالا را از انتشار ترک و پدیده‌های تماس سطحی که ممکن است مقدم بر امضاهای ارتعاشی مرسوم باشند، تشخیص می‌دهد. این تکنیک، قابلیت تشخیص عیب را در سریع‌ترین زمان ممکن فراهم می‌کند.

پایش عملکرد، اثرات یاتاقان بر عملکرد سیستم، از جمله تغییرات راندمان، تغییرات توزیع بار و پایداری عملیاتی را ارزیابی می‌کند. تخریب عملکرد ممکن است نشان‌دهنده مشکلات یاتاقان باشد که نیاز به بررسی دارند، حتی زمانی که سطح ارتعاش قابل قبول باقی بماند.

الزامات مستندسازی و گزارش‌دهی

تشخیص مؤثر یاتاقان‌ها نیازمند مستندسازی جامع از رویه‌های اندازه‌گیری، نتایج تحلیل و توصیه‌های نگهداری است تا از تصمیم‌گیری پشتیبانی کرده و سوابق تاریخی را برای تحلیل روند فراهم کند.

مستندات اندازه‌گیری شامل پیکربندی تجهیزات، شرایط محیطی، پارامترهای عملیاتی و نتایج ارزیابی کیفیت است. این اطلاعات امکان تکرارپذیری اندازه‌گیری‌های آینده را فراهم می‌کند و زمینه را برای تفسیر نتایج فراهم می‌کند.

مستندسازی تحلیل، رویه‌های محاسبه، روش‌های شناسایی فراوانی و استدلال تشخیصی را برای پشتیبانی از نتیجه‌گیری‌ها و امکان بررسی دقیق، ثبت می‌کند. مستندسازی دقیق، انتقال دانش و فعالیت‌های آموزشی را تسهیل می‌کند.

مستندات توصیه‌ها، راهنمایی‌های روشنی در مورد نگهداری و تعمیرات، از جمله طبقه‌بندی فوریت‌ها، رویه‌های پیشنهادی تعمیر و الزامات نظارتی، ارائه می‌دهند. توصیه‌ها باید شامل توجیه فنی کافی برای پشتیبانی از تصمیمات برنامه‌ریزی نگهداری و تعمیرات باشند.

نگهداری پایگاه داده تاریخی تضمین می‌کند که نتایج اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل برای تجزیه و تحلیل روندها و مطالعات مقایسه‌ای در دسترس باشند. سازماندهی مناسب پایگاه داده، تجزیه و تحلیل در سطح ناوگان و شناسایی مشکلات رایج در تجهیزات مشابه را تسهیل می‌کند.

Conclusion

تشخیص ارتعاش اجزای لوکوموتیو راه‌آهن، یک رشته مهندسی پیچیده است که اصول اساسی مکانیک را با فناوری‌های پیشرفته اندازه‌گیری و تحلیل ترکیب می‌کند. این راهنمای جامع، عناصر ضروری مورد نیاز برای اجرای مؤثر پایش وضعیت مبتنی بر ارتعاش در عملیات تعمیر و نگهداری لوکوموتیو را بررسی کرده است.

پایه و اساس تشخیص ارتعاش موفق، درک کامل پدیده‌های نوسانی در ماشین‌آلات دوار و ویژگی‌های خاص بلوک‌های موتور-چرخ (WMB)، بلوک‌های چرخ-چرخ دنده (WGB) و ماشین‌های کمکی (AM) است. هر نوع قطعه، امضاهای ارتعاشی منحصر به فردی را ارائه می‌دهد که نیاز به رویکردهای تحلیلی تخصصی و تکنیک‌های تفسیر دارد.

سیستم‌های تشخیصی مدرن، قابلیت‌های قدرتمندی را برای تشخیص زودهنگام خطا و ارزیابی شدت آن ارائه می‌دهند، اما اثربخشی آنها به شدت به اجرای صحیح، کنترل کیفیت اندازه‌گیری و تفسیر ماهرانه نتایج بستگی دارد. ادغام چندین تکنیک تشخیصی، قابلیت اطمینان را افزایش داده و نرخ هشدارهای کاذب را کاهش می‌دهد و در عین حال ارزیابی جامعی از وضعیت اجزا ارائه می‌دهد.

پیشرفت مداوم در فناوری حسگرها، الگوریتم‌های تحلیل و قابلیت‌های یکپارچه‌سازی داده‌ها، نویدبخش بهبودهای بیشتر در دقت تشخیص و کارایی عملیاتی است. سازمان‌های تعمیر و نگهداری راه‌آهن که در قابلیت‌های جامع تشخیص ارتعاش سرمایه‌گذاری می‌کنند، از طریق کاهش خرابی‌های برنامه‌ریزی نشده، بهینه‌سازی برنامه‌ریزی تعمیر و نگهداری و افزایش ایمنی عملیاتی، مزایای قابل توجهی را به دست خواهند آورد.

اجرای موفقیت‌آمیز تشخیص ارتعاش نیازمند تعهد مداوم به آموزش، پیشرفت فناوری و رویه‌های تضمین کیفیت است. با توجه به اینکه سیستم‌های راه‌آهن به سمت سرعت‌های بالاتر و الزامات قابلیت اطمینان بیشتر تکامل می‌یابند، تشخیص ارتعاش نقش حیاتی فزاینده‌ای در حفظ عملیات ایمن و کارآمد لوکوموتیو ایفا خواهد کرد.