Muuttuvanopeuksisten koneiden kertalukuanalyysin ymmärtäminen
Kertalukuanalyysi on erikoistunut värähtelyanalyysi tekniikka, joka on kehitetty laitteille, jotka eivät toimi yhdellä vakiovauhdilla. Sen sijaan, että amplitudi piirrettäisiin kiinteää taajuusakselia (Hz tai CPM) vasten, se piirretään kertaluvut — akselin hetkellisen arvon kerrannaiset käyntinopeus. Ensimmäinen kertaluku on tärinää tarkalleen 1× (käyntinopeudella), toinen kertaluku on 2× tällä nopeudella ja niin edelleen. Koska kertalukuanalyysi perustuu itse akseliin eikä kelloon, se pitää nopeuteen liittyvät komponentit tarkasti määriteltyinä riippumatta siitä, kiihdyttääkö kone vai kulkeeko se vapaalla.
1. Määritelmä: Mikä on kertaluku?
An kertaluku on peruspyörimisnopeuden harmoninen. Koska niin monet koneviat aiheuttavat tärinää akselin pyörimisnopeuden kokonaislukukertalukuina, spektrin esittäminen kertaluvuittain yhdistää kunkin piikin suoraan fyysiseen syyhyn. Ensimmäinen kertaluku sisältää lähes aina epätasapaino; toinen kertaluku on klassinen merkki epäkohdistus ja tietyissä löysyysolosuhteissa; suuremmat kokonaislukukertaluvut liittyvät hammasvälitys, vane or blade-pass roottorin elementtien lukumäärään liittyvät tapahtumat. Ei-kokonaislukuiset (murtolukuiset) kertaluvut alisynkroninen ilmiöitä, kuten öljypyörteitä tai hihnan vikoja. Lyhyesti sanottuna kertalukuakseli on diagnostiikkakartta, joka liikkuu roottorin mukana.
2. Miksi tavallinen FFT ei toimi vaihtelevanopeuksisissa koneissa
Tavanomainen Nopea Fourier-muunnos (FFT) mittaa tärinää tietyn aikavälin aikana aika ja olettaa, että nopeus on vakio kyseisen ikkunan aikana. Vakiovauhtisessa koneessa tämä on täydellinen ratkaisu. Mutta jos akseli kiihtyy tai hidastuu tietojen keräämisen aikana, jokainen nopeuteen liittyvä komponentti ajautuu spektrin yli tallennuksen aikana. Sen energia leviää monille vierekkäisille taajuusalueille, jolloin syntyy leveä, matala ja epäselvä kohouma puhtaan viivan sijaan. 1× epätasapainohuippu, jonka pitäisi kohoa spektrin yläpuolelle, voi tasoittua kohinaksi — jota on mahdotonta lukea tarkasti ja joka on hyödytön trendin seuranta. Tämä spektrin leviäminen perustuu samaan mekanismiin kuin spektraalinen vuoto, jota kierrosluvun muuttaminen vielä vahvistaa. Kertalukuanalyysi kehitettiin nimenomaan tämän ongelman ratkaisemiseksi.
3. Ratkaisu: Kertaluvun seuranta
Tämän mahdollistava tekniikka on kertalukuseuranta, ja se riippuu toisesta syötteestä: kierroslukumittari (tai “tacho”), joka lähettää akselilta yhden pulssin kierrosta kohti. Analysointilaite käyttää tätä pulssijonoa – eikä sisäistä kidekelloaan – aikaperustana. Sen sijaan, että se ottaisi näytteitä kiintein aikavälein (esimerkiksi millisekunnin välein), se ottaa näytteitä kiintein kulmallinen välein (esimerkiksi jokaisen kiertoliikkeen asteen välein). Tätä kutsutaan uudelleennäytteenotto kulma-alueella.
Käytössä on kaksi yleistä menetelmää. Laitteistopohjainen (synkroninen) näytteenotto ohjaa analogia-digitaalimuunninta suoraan tahdissa olevalla takometrin pulssin moninkertaisella, joten jokainen kierros tuottaa aina saman määrän näytteitä. Tietokoneavusteinen (ohjelmistopohjainen) kertalukujen seuranta näytteitä kiinteällä korkealla taajuudella ja interpoloi tallenteen digitaalisesti tasavälein käyttäen tallennettua kierroslukumittarin ajoitusta. Kummassakin tapauksessa tuloksena oleva muunnos ilmaistaan kertaluvuina, ei hertseinä. Jos koneen nopeus muuttuu, 1×-viiva pysyy paikallaan ensimmäisen kertaluvun luokassa korkeana ja kapeana piikkinä – hämärtyminen häviää. Kierroslukumittari toimittaa myös vaihe viite, jonka avulla analysaattori voi luoda Bode ja Nyquist käyrät nousuvaiheessa.
Keskeinen ajatus: kertalukuanalyysi sitoo tiedonkeruun akselin kulma instead of aika, joten nopeustahdistettu tärinä pysyy terävänä kaikilla kierrosluvuilla.
4. Tärkeimmät käyttökohteet
Kertalukuanalyysi on välttämätöntä aina, kun nopeus ei ole vakio:
- Ajoneuvojen ja moottoreiden testaus: moottorin, vaihteiston ja voimansiirron tärinän vaimentaminen koko kierroslukualueella.
- Wind turbines: roottorin pyörimisnopeus seuraa tuulen muutoksia jatkuvasti, joten kiinteän taajuuden tarkastelu on turhaa — kertalukuanalyysi on välttämätöntä.
- Kiihtyvyys- ja hidastuvuusanalyysi: koneen käynnistyessä tai pysähtyessä syntyvän tärinän mittaaminen on tehokas tapa paikantaa kriittiset nopeudet ja resonanssit; kertaluvun seuranta pitää tuloksena syntyvän coast-down kaaviot ovat selkeitä ja helppolukuisia.
- Mäntämoottorit: kompressorit ja moottorit, joiden hetkellinen kierrosluku vaihtelee kunkin syklin aikana.
- Raskaat ja liikkuvat koneet: maanrakennuskoneet, kaivosajoneuvot ja muut vaihtelevanopeuksiset käyttölaitteet.
5. Tilausanalyysitietojen esittäminen
Tuloksia tarkastellaan useissa toisiaan täydentävissä muodoissa:
- Järjestysspektri: amplitudi vs. kertaluku — kuten tavallisessa FFT:ssä, mutta kertaluvut x-akselilla.
- Waterfall tai kaskadi plot: kolmiulotteinen sarja kertalukuspektrejä, jotka esittävät kunkin kertaluvun amplitudin muutoksen nopeuden vaihtuessa.
- Bode-kuvaaja: yhden seurattavan kertaluvun amplitudi ja vaihe (yleensä 1× tai 2×) kuvattuna koneen nopeuden funktiona; tämä on kiihdytys- ja hidastustestauksen perusta.
- Campbellin kaavio: kertalukuviivat on asetettu järjestelmän ominaistaajuuksien päälle, joten resonanssi näkyy aina siellä, missä kertalukuviiva leikkaa ominaistaajuusviivan.
A seurantasuodatin voi erottaa yksittäisen kertaluvun reaaliajassa viimeistelytyötä varten, ja Campbell-kaavion laskin auttaa ennustamaan, missä näitä risteyksiä esiintyy, jo ennen testausta.
6. Tilausanalyysi käytännön kenttätyössä
Tuotantotiloissa tilausanalyysi on perustana koneiden tasapainottamiselle, kun niiden nopeus ei pysy vakaana. Kannettava kaksikanavainen mittauslaite, kuten Balanset-1A käyttää optista lasertachometriään tärinätietojen sitomiseen akselin kulmaan, joten se mittaa 1×-epätasapainokomponenttia kenttätasapainotus pysyy tarkkana myös tuulettimessa tai pumpussa, jonka kierrosluku vaihtelee kuormituksen alla. Saman kierroslukumittariin perustuvan menetelmän avulla analysaattori pystyy erottamaan nopeussynkronisen 1×-huipun kiinteätaajuisesta kohinasta, kuten laakerivikataajuudet, mikä takaa luotettavan tulkinnan raskaasta kohdasta. Käytännössä kertalukuanalyysi muuntaa vaihtelevanopeuksisen koneen tärinätiedot muotoon, jonka perusteella insinööri voi ryhtyä toimenpiteisiin — se mahdollistaa minkä tahansa eri nopeuksilla käyvän roottorin kunnon tarkan diagnosoinnin.
