درک شتاب در تحلیل ارتعاشات
شتاب نرخ تغییر سرعت یک جسم نسبت به زمان است. در تحلیل ارتعاشات یکی از سه پارامتر اندازه‌گیری اصلی است، کمیت‌سازی سرعت است سرعت یک جزء ارتعاشی در حال تغییر است. جایی که جابجایی به شما می‌گوید که یک قطعه تا چه حد حرکت می‌کند و سرعت نشان می‌دهد چقدر سریع حرکت می‌کند، اما شتاب در واقع اندازه‌ای از نیروهای وارد بر قطعه است — که آن را به طور فوق‌العاده حساس به رویدادهای فرکانس بالا مانند ضربات و تغییرات ناگهانی در حرکت می‌کند.
1. تعریف: شتاب ارتعاش چیست؟
از نظر ریاضی، شتاب مشتق زمانی اول سرعت و مشتق دوم جابجایی است. برای یک جسم که با فرکانس سینوسی نوسان می‌کند ف، دامنه شتاب با مجذور فرکانس نسبت دارد برای یک جابجایی ثابت — دو برابر کردن فرکانس، شتاب را چهار برابر می‌کند. این تک واقعیت توضیح می‌دهد چرا شتاب زبان طبیعی برای رویدادهای سریع و تیز است: هر چه محتوای فرکانس یک خرابی بیشتر باشد، بیشتر در سیگنال شتاب برجسته می‌شود. این همچنین دلیلی است که یک تحلیل‌گر هنگام مطالعه پدیده‌هایی در منطقه کیلوهرتز به جای فرکانس‌های نزدیک به سرعت کار، شتاب را انتخاب می‌کند.
2. اندازه‌گیری شتاب ارتعاش چرا مهم است؟
اندازه‌گیری شتاب در مرکز یک پایش وضعیت برنامه قرار دارد زیرا در شناسایی خرابی‌هایی که پارامترهای ملایم‌تر ممکن است از دست بدهند، عالی عمل می‌کند. اهمیت آن بر چند عامل کلیدی استوار است:
- شناسایی خرابی در فرکانس بالا: شتاب ذاتاً حساس‌تر به ارتعاش فرکانس بالا است و آن را پارامتر ایده‌آل برای آسیب اولیه یاتاقان‌های غلتشی، مشکلات دندانه‌های چرخ دنده و هیجان‌های عبور لبه‌ها قرار می‌دهد، که همه انرژی را در بالای طیف تابش می‌کنند.
- ارتباط مستقیم با نیرو: طبق قانون دوم نیوتن (نیرو = جرم × شتاب)، شتاب مستقیماً متناسب با نیروهای دینامیکی درون یک ماشین است. خواندن شتاب بنابراین دید مستقیمی را به نیروهایی که تنش و خستگی در قطعات.
- دامنه دینامیکی گسترده: شتاب‌سنج‌های مورد استفاده برای ثبت آن در بازه بسیار گسترده‌ای از فرکانس‌ها و دامنه‌ها کار می‌کنند که آنها را در بسیاری از انواع ماشین و سرعات‌های مختلف همه‌کاره می‌سازد.
۳. واحدها و اندازه‌گیری
واحدهای رایج
شتاب ارتعاش معمولاً در یکی از دو واحد بیان می‌شود:
- g: یک واحد که به شتاب گرانش زمین ارجاع داده شده است، که 1 g ≈ 9.81 m/s². g محبوب است زیرا درک استاندارد و شهودی از میزان شدید تکان خوردن یک قطعه را می‌دهد.
- m/s² (or mm/s²): واحد SI، متر بر ثانیه مربع، برای گزارش و محاسبات رسمی ترجیح داده می‌شود.
شایسته است واضح باشید که آیا یک رقم، اوج، اوج واقعی یا RMS است، زیرا ارتعاش یکسان می‌تواند به سه روش نقل شود. تبدیل بین g، m/s² و معادل سرعت یا جابجایی در یک فرکانس معین، دقیقاً آن چیزی است که ماشین حساب شتاب ارتعاش برای چه منظوری است.
چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
شتاب تقریباً انحصاری طور با استفاده از شتاب سنج — یک مبدل که نیروی مکانیکی ارتعاش را به یک سیگنال الکتریکی متناسب تبدیل می‌کند. این شتاب‌سنج پیزوالکتریک متداول‌ترین نوع در نظارت بر شرایط صنعتی است که برای سختی، دقت و پاسخ فرکانسی وسیع و مسطح خود مورد تقدیر است. خروجی آن می‌تواند مستقیماً تجزیه و تحلیل شود یا از طریق یکپارچه‌سازی به صورت سرعت یا جابجایی ارائه شود.
۴. کاربردهای عملی در تشخیص عیوب
در تشخیص روزمره، داده‌های شتاب مشکلات خاص را شناسایی می‌کنند:
- عیوب یاتاقان: نقص‌های میکروسکوپی در مسیرهای غلتشی، غلتک‌ها و کرات تپش‌های اثر سریع و کوچک تولید می‌کنند. اندازه‌گیری‌های شتاب — به خصوص زمانی که با تحلیل پوششی برای کاهش فرکانس آنها ترکیب می‌شود — راه اصلی برای تشخیص این عیوب در مرحله ابتدایی و قابل عمل آنها است، اغلب با پیگیری فرکانس‌های خطای یاتاقان.
- تجزیه و تحلیل گیربکس: محتوای فرکانس بالا از درگیری دندان‌ها، به علاوه تاثیرات دندان‌های ترک‌خورده یا تراشیده شده، به وضوح در طیف شتاب نمایان می‌شود، اغلب دقیقاً در فرکانس درگیری دنده‌ها و باندهای جانبی آن.
- ماشین‌های سرعت بالا: برای توربین‌ها و کمپرسورهای سرعت بالا، فرکانس‌های غالب در باند قرار دارند که شتاب آنجا بیشتر حساس است، بنابراین اغلب اندازه‌گیری کلی ترجیح داده می‌شود.
این همان تنوع است که یک ابزار قابل حمل دوکاناله مانند Balanset-1A را می‌تواند هم به‌عنوان یک ابزار متعادل‌کننده و هم یک ابزار تشخیصی استفاده کند: شتاب را از حسگرهای خود دریافت می‌کند، برای بررسی‌های شدت به سرعت ادغام می‌کند ISO 20816 (جایگزین مدرن ISO 10816)، و از همان کانال‌ها برای اندازه‌گیری دامنه و فاز ۱× برای متعادل‌کردن محل کار استفاده می‌کند.
۵. ارتباط با سرعت و جابجایی
جابجایی، سرعت و شتاب به‌طور ریاضی از طریق انتگرال و مشتق گیری پیوند دارند. برای یک ارتعاش سینوسی ساده، سرعت انتگرال شتاب است و جابجایی انتگرال سرعت است؛ برعکس، مشتق‌گیری راه دیگر را می‌رود. نتیجه عملی این است که برای همان انرژی ارتعاشی، دامنه‌های شتاب به‌طور طبیعی در فرکانس‌های بالا بزرگ‌ترند در حالی که دامنه‌های جابجایی در فرکانس‌های پایین غالب هستند — با سرعت در میان قرار دارد و نسبتاً تخت در سراسر باند میانی باقی می‌ماند. این دقیقاً همان دلیلی است که تحلیل‌گران پارامتری را انتخاب می‌کنند که بهترین انطباق با محدوده فرکانسی خرابی مورد انتظار دارند: جابجایی برای حرکت شفت کند، سرعت برای سلامت عمومی ماشین، و شتاب برای رویدادهای سریع و پر نیروی یاتاقان‌ها و گیربکس‌ها.
۶. آنچه Balanset-1A درباره شتاب نشان می‌دهد
Balanset-1A ارتعاش را با شتاب‌سنج‌های MEMS دریافت می‌کند و سرعت ارتعاش را بر حسب mm/s RMS گزارش می‌دهد و طیف آن را می‌توان بر حسب سرعت یا شتاب مشاهده کرد. مقایسه این دو نما راهی سریع برای دانستن محل تمرکز انرژی ارتعاش پیش از تصمیم به بالانس کردن است.
- هر دو حسگر را به‌صورت شعاعی روی بخش صلب پوسته یاتاقان‌ها نصب کنید، به‌طوری که تمام سطح آهنربا در تماس باشد. آنها را روی حفاظ‌ها، درپوش‌ها یا سطح انتهایی قرار ندهید. حسگرها را فقط وقتی ماشین متوقف و قفل‌شده (lockout) است نصب یا جابه‌جا کنید.
- Vibration Meter را (F5) باز کنید و در زبانه Wave Spectrum بمانید. V1s را با V1o مقایسه کنید. اگر مؤلفه 1× به مقدار کلی نزدیک باشد، ارتعاش عمدتاً نابالانسی است. اگر بسیار کوچک‌تر باشد، بیشتر انرژی در هارمونیک‌ها و نویز است.
- انتخابگر Spectrum زیر نمودار را از Velocity به Acceleration (m/s2) تغییر دهید. شتاب به فرکانس‌های بالاتر وزن بیشتری می‌دهد، بنابراین قله‌های 2×، 3× و بالاتر نسبت به 1× بزرگ‌تر دیده می‌شوند. برای سرعت یکسان، شتاب در 3× سه برابر 1× است: در 3000 rpm، مقدار 1 mm/s RMS در 1× (50 Hz) حدود 0.31 m/s2 و در 3× (150 Hz) حدود 0.94 m/s2 است. نشانگر را روی یک قله ببرید تا فرکانس و دامنه آن در عنوان نمودار نمایش داده شود.
- شدت ارتعاش را بر پایه قرائت‌های سرعت ارزیابی کنید، زیرا ناحیه‌های ارتعاشی ISO بر حسب mm/s تعریف شده‌اند. برای رنگ‌بندی V1s و V2s بر اساس ناحیه، در زبانه F4 - Settings پنجره اصلی یک Vibration evaluation standard انتخاب کنید.
- اگر در نمای سرعت، 1× بزرگ‌ترین قله است و V1o به V1s نزدیک است، به سراغ بالانس کردن بروید. اگر قله‌های 2× یا 3× در نمای سرعت به اندازه 1× برسند، ابتدا هم‌محوری، یاتاقان‌ها و اتصال‌ها را بررسی کنید و سپس بالانس کنید. قله‌ای که فقط در نمای شتاب بزرگ است، به‌دلیل فرکانس بالایش بزرگ‌نمایی شده است؛ پیش از اقدام آن را در نمای سرعت بررسی کنید.
