Trillingsdiagnostiek van componenten van spoorweglocomotieven: een uitgebreide handleiding voor reparatietechnici

2.3.1.1. Grondbeginselen van trillingen: oscillerende krachten en trillingen in roterende apparatuur

Basisprincipes van mechanische trillingen

Mechanische trillingen vertegenwoordigen de oscillerende beweging van mechanische systemen rond hun evenwichtspositie. Ingenieurs die met locomotiefcomponenten werken, moeten begrijpen dat trillingen zich manifesteren in drie fundamentele parameters: verplaatsing, snelheid en versnelling. Elke parameter biedt unieke inzichten in de staat en operationele kenmerken van de apparatuur.

Trillingsverplaatsing Meet de daadwerkelijke fysieke beweging van een component vanuit de rustpositie. Deze parameter is bijzonder waardevol voor het analyseren van laagfrequente trillingen die doorgaans voorkomen bij onbalans in roterende machines en funderingsproblemen. De verplaatsingsamplitude correleert direct met slijtagepatronen in lageroppervlakken en koppelingscomponenten.

Trillingssnelheid Geeft de veranderingssnelheid van de verplaatsing in de tijd weer. Deze parameter vertoont een uitzonderlijke gevoeligheid voor mechanische fouten over een breed frequentiebereik, waardoor het de meest gebruikte parameter is in industriële trillingsbewaking. Snelheidsmetingen detecteren effectief ontwikkelende fouten in tandwielkasten, motorlagers en koppelingssystemen voordat ze een kritiek stadium bereiken.

Trillingsversnelling Meet de snelheidsverandering in de tijd. Hoogfrequente versnellingsmetingen zijn uitstekend geschikt voor het detecteren van lagerdefecten in een vroeg stadium, schade aan tandwielen en impactgerelateerde verschijnselen. De versnellingsparameter wordt steeds belangrijker bij het bewaken van sneldraaiende hulpmachines en het detecteren van schokbelastingen.

Periode- en frequentiekenmerken

De periode (T) geeft de tijd aan die nodig is voor één volledige oscillatiecyclus, terwijl de frequentie (f) het aantal cycli per tijdseenheid aangeeft. Deze parameters vormen de basis voor alle trillingsanalysetechnieken die worden gebruikt in locomotiefdiagnostiek.

Componenten van spoorweglocomotieven werken in diverse frequentiebereiken. De rotatiefrequenties van wielstellen variëren doorgaans van 5-50 Hz tijdens normaal gebruik, terwijl de frequenties van de tandwielen variëren van 200-2000 Hz, afhankelijk van de overbrengingsverhoudingen en rotatiesnelheden. De frequenties van lagerdefecten manifesteren zich vaak in het bereik van 500-5000 Hz, wat gespecialiseerde meettechnieken en analysemethoden vereist.

Absolute en relatieve trillingsmetingen

Absolute trillingsmetingen refereren de trillingsamplitude aan een vast coördinatensysteem, meestal de grond of een traagheidsreferentiekader. Seismische accelerometers en snelheidstransducers leveren absolute metingen door gebruik te maken van interne traagheidsmassa's die stationair blijven terwijl de sensorbehuizing met het gemonitorde onderdeel meebeweegt.

Relatieve trillingsmetingen vergelijken de trillingen van één component met die van een andere bewegende component. Naderingssondes op lagerhuizen meten de trillingen van de as ten opzichte van het lager en leveren cruciale informatie over de rotordynamiek, thermische groei en veranderingen in de lagerspeling.

Bij locomotieftoepassingen gebruiken ingenieurs doorgaans absolute metingen voor de meeste diagnostische procedures, omdat deze uitgebreide informatie verschaffen over de beweging van componenten en zowel mechanische als structurele problemen kunnen detecteren. Relatieve metingen zijn essentieel bij het analyseren van grote roterende machines waarbij de asbeweging ten opzichte van de lagers wijst op problemen met de interne speling of rotorinstabiliteit.

Lineaire en logaritmische meeteenheden

Lineaire meeteenheden drukken trillingsamplitudes uit in directe fysieke grootheden, zoals millimeters (mm) voor verplaatsing, millimeters per seconde (mm/s) voor snelheid en meters per secondekwadraat (m/s²) voor versnelling. Deze eenheden vergemakkelijken directe correlatie met fysieke verschijnselen en bieden een intuïtief inzicht in de ernst van de trillingen.

Logaritmische eenheden, met name decibel (dB), comprimeren grote dynamische bereiken tot hanteerbare schalen. De decibelschaal is vooral waardevol bij het analyseren van breedbandige trillingsspectra, waarbij amplitudevariaties meerdere ordes van grootte beslaan. Veel moderne trillingsanalysatoren bieden zowel lineaire als logaritmische weergavemogelijkheden om aan verschillende analysevereisten te voldoen.

Internationale normen en regelgevingskader

De Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO) stelt wereldwijd erkende normen vast voor trillingsmeting en -analyse. De ISO 10816-serie definieert criteria voor de ernst van trillingen voor verschillende machineklassen, terwijl ISO 13373 zich richt op procedures voor conditiebewaking en diagnose.

Voor spoorwegtoepassingen moeten ingenieurs rekening houden met specifieke normen die betrekking hebben op unieke operationele omgevingen. ISO 14837-1 biedt richtlijnen voor trillingen in de grond voor spoorwegsystemen, terwijl EN 15313 specificaties voor spoorwegtoepassingen vastlegt voor het ontwerp van wielstellen en draaistelframes met trillingsoverwegingen.

De Russische GOST-normen vullen de internationale eisen aan met regiospecifieke bepalingen. GOST 25275 definieert trillingsmeetprocedures voor roterende machines, terwijl GOST R 52161 de eisen voor trillingstesten voor rollend spoorwegmaterieel behandelt.

Classificaties van trillingssignalen

Periodieke trillingen Herhaalt identieke patronen met regelmatige tussenpozen. Roterende machines genereren voornamelijk periodieke trillingspatronen gerelateerd aan rotatiesnelheden, tandwielfrequenties en lagerdoorgangen. Deze voorspelbare patronen maken een nauwkeurige identificatie van de storing en beoordeling van de ernst ervan mogelijk.

Willekeurige trilling Vertoont statistische in plaats van deterministische kenmerken. Wrijvingsgeïnduceerde trillingen, turbulente stromingsruis en de interactie tussen weg en spoor genereren willekeurige trillingscomponenten die statistische analysetechnieken vereisen voor een correcte interpretatie.

Transiënte trillingen Treedt op als geïsoleerde gebeurtenissen met een eindige duur. Stootbelastingen, het aangrijpen van tandwielen en het raken van lagerelementen produceren tijdelijke trillingssignaturen die gespecialiseerde analysetechnieken vereisen, zoals tijdsynchrone middeling en envelopanalyse.

Beschrijvingen van trillingsamplitude

Ingenieurs gebruiken verschillende amplitudedescriptoren om trillingssignalen effectief te karakteriseren. Elke descriptor biedt unieke inzichten in trillingskarakteristieken en storingsontwikkelingspatronen.

Piekamplitude Geeft de maximale momentane waarde weer die tijdens de meetperiode optreedt. Deze parameter identificeert effectief impactgebeurtenissen en schokbelastingen, maar geeft mogelijk geen nauwkeurige weergave van continue trillingsniveaus.

Root Mean Square (RMS) amplitude Geeft de effectieve energie-inhoud van het trillingssignaal weer. RMS-waarden correleren goed met de slijtagesnelheid en energieverspilling van machines, waardoor deze parameter ideaal is voor trendanalyse en ernstbeoordeling.

Gemiddelde amplitude Geeft het rekenkundig gemiddelde weer van de absolute amplitudewaarden over de meetperiode. Deze parameter correleert goed met de oppervlakteafwerking en slijtage-eigenschappen, maar kan intermitterende fouten onderschatten.

Piek-tot-piek amplitude Meet de totale uitslag tussen maximale positieve en negatieve amplitudewaarden. Deze parameter is waardevol voor het beoordelen van spelinggerelateerde problemen en het identificeren van mechanische speling.

Crestfactor geeft de verhouding weer tussen piekamplitude en RMS-amplitude en geeft inzicht in de signaalkarakteristieken. Lage crestfactoren (1,4-2,0) duiden op overwegend sinusvormige trillingen, terwijl hoge crestfactoren (>4,0) wijzen op impulsief of schokachtig gedrag dat kenmerkend is voor ontwikkelende lagerfouten.

Technologieën en installatiemethoden voor trillingssensoren

Accelerometers zijn de meest veelzijdige trillingssensoren voor locomotieftoepassingen. Piëzo-elektrische accelerometers genereren een elektrische lading die evenredig is met de toegepaste versnelling en bieden een uitstekende frequentierespons van 2 Hz tot 10 kHz met minimale fasevervorming. Deze sensoren vertonen een uitzonderlijke duurzaamheid in zware spoorwegomgevingen, met behoud van een hoge gevoeligheid en lage ruiskarakteristieken.

Snelheidstransducers maken gebruik van elektromagnetische inductieprincipes om spanningssignalen te genereren die evenredig zijn met de trillingssnelheid. Deze sensoren blinken uit in laagfrequente toepassingen (0,5-1000 Hz) en bieden superieure signaal-ruisverhoudingen voor machinebewaking. Hun grotere formaat en temperatuurgevoeligheid kunnen echter de installatiemogelijkheden op compacte locomotiefcomponenten beperken.

Naderingssondes maken gebruik van wervelstroomprincipes om de relatieve verplaatsing tussen de sensor en het doeloppervlak te meten. Deze sensoren zijn van onschatbare waarde voor het monitoren van astrilling en het beoordelen van lagerspeling, maar vereisen zorgvuldige installatie- en kalibratieprocedures.

Een correcte sensorinstallatie heeft een aanzienlijke invloed op de meetnauwkeurigheid en betrouwbaarheid. Ingenieurs moeten zorgen voor een stevige mechanische koppeling tussen de sensor en het bewaakte onderdeel om resonantie-effecten en signaalvervorming te voorkomen. Schroefdraadbouten bieden optimale montage voor permanente installaties, terwijl magnetische voetstukken handig zijn voor periodieke metingen op ferromagnetische oppervlakken.

Oorsprong van trillingen bij roterende apparatuur

Mechanische trillingsbronnen Ontstaan door massa-onevenwichtigheden, scheefstelling, losheid en slijtage. Onevenwichtige roterende componenten genereren centrifugale krachten evenredig met het kwadraat van de rotatiesnelheid, waardoor trillingen ontstaan bij de rotatiefrequentie en de bijbehorende harmonischen. Scheefstelling tussen gekoppelde assen veroorzaakt radiale en axiale trillingscomponenten bij de rotatiefrequentie en tweemaal de rotatiefrequentie.

Elektromagnetische trillingsbronnen Ze ontstaan door variaties in de magnetische kracht in elektromotoren. Excentriciteit van de luchtspleet, defecten in de rotorbalk en fouten in de statorwikkeling creëren elektromagnetische krachten die moduleren op de lijnfrequentie en de bijbehorende harmonischen. Deze krachten werken samen met mechanische resonanties om complexe trillingssignaturen te produceren die geavanceerde analysetechnieken vereisen.

Aerodynamische en hydrodynamische trillingsbronnen Het gevolg zijn van interacties tussen vloeistofstromen en roterende componenten. De doorgang van ventilatorbladen, de interactie tussen pompbladen en de scheiding van turbulente stroming genereren trillingen bij de frequenties van de doorgang van bladen en vinnen en hun harmonischen. Deze bronnen zijn met name belangrijk in hulpmachines die op hoge snelheden werken en aanzienlijke eisen stellen aan de vloeistofbehandeling.

2.3.1.2. Locomotiefsystemen: WMB, WGB, AM en hun componenten als oscillatiesystemen

Classificatie van roterende apparatuur in locomotieftoepassingen

Roterende locomotiefapparatuur omvat drie hoofdcategorieën, elk met unieke trillingskarakteristieken en diagnostische uitdagingen. Wielstel-motorblokken (WMB) integreren tractiemotoren rechtstreeks met aandrijfwielstellen, waardoor complexe dynamische systemen ontstaan die onderhevig zijn aan zowel elektrische als mechanische excitatiekrachten. Wielstel-tandwielblokken (WGB) maken gebruik van tussenliggende tandwielreductiesystemen tussen motoren en wielstellen, waardoor extra trillingsbronnen ontstaan door de interactie tussen de tandwielen. Hulpmachines (AM) omvatten koelventilatoren, luchtcompressoren, hydraulische pompen en andere ondersteunende apparatuur die onafhankelijk van de primaire tractiesystemen werken.

Deze mechanische systemen vertonen oscillerend gedrag dat wordt bepaald door fundamentele principes van dynamiek en trillingsleer. Elk onderdeel bezit eigenfrequenties die worden bepaald door de massaverdeling, stijfheidseigenschappen en randvoorwaarden. Inzicht in deze eigenfrequenties is cruciaal om resonantieomstandigheden te voorkomen die kunnen leiden tot overmatige trillingsamplitudes en versnelde slijtage van onderdelen.

Classificaties van oscillerende systemen

Vrije oscillaties Deze trillingen treden op wanneer systemen trillen op natuurlijke frequenties na een initiële verstoring zonder continue externe krachten. In locomotieven manifesteren vrije oscillaties zich tijdens opstart- en uitschakeltransiënten wanneer rotatiesnelheden de natuurlijke frequenties overschrijden. Deze transiënte omstandigheden bieden waardevolle diagnostische informatie over de stijfheid en dempingseigenschappen van het systeem.

Gedwongen oscillaties zijn het gevolg van continue periodieke excitatiekrachten die op mechanische systemen werken. Roterende onbalans, tandwielkrachten en elektromagnetische excitatie veroorzaken gedwongen trillingen bij specifieke frequenties die verband houden met rotatiesnelheden en systeemgeometrie. De amplitudes van gedwongen trillingen zijn afhankelijk van de relatie tussen de excitatiefrequentie en de natuurlijke frequenties van het systeem.

Parametrische oscillaties Ontstaan wanneer systeemparameters periodiek in de loop van de tijd variëren. Tijdsafhankelijke stijfheid in het tandwielcontact, variaties in lagerspeling en fluctuaties in de magnetische flux creëren parametrische excitatie die kan leiden tot onstabiele trillingsgroei, zelfs zonder directe forcering.

Zelfopgewekte oscillaties (auto-oscillaties) Deze ontstaan wanneer de mechanismen voor systeemenergiedissipatie negatief worden, wat leidt tot aanhoudende trillingsgroei zonder externe periodieke krachten. Door wrijving veroorzaakt stick-slip gedrag, aerodynamische flutter en bepaalde elektromagnetische instabiliteiten kunnen zelfopgewekte trillingen veroorzaken die actieve beheersing of ontwerpaanpassingen vereisen om deze trillingen te beperken.

Bepaling van de natuurlijke frequentie en resonantieverschijnselen

Eigenfrequenties vertegenwoordigen de inherente trillingskarakteristieken van mechanische systemen, onafhankelijk van externe excitatie. Deze frequenties zijn uitsluitend afhankelijk van de massaverdeling en stijfheidseigenschappen van het systeem. Voor eenvoudige systemen met één vrijheidsgraad volgt de berekening van de eigenfrequentie de gangbare formules die massa- en stijfheidsparameters met elkaar in verband brengen.

Complexe locomotiefcomponenten vertonen meerdere eigenfrequenties die overeenkomen met verschillende trillingsmodi. Buigmodi, torsiemodi en gekoppelde modi hebben elk hun eigen frequentiekarakteristieken en ruimtelijke patronen. Modale analysetechnieken helpen ingenieurs deze frequenties en bijbehorende modusvormen te identificeren voor effectieve trillingsbeheersing.

Resonantie treedt op wanneer excitatiefrequenties samenvallen met natuurlijke frequenties, wat resulteert in aanzienlijk versterkte trillingsresponsen. De versterkingsfactor is afhankelijk van de demping van het systeem, waarbij licht gedempte systemen veel hogere resonantiepieken vertonen dan zwaar gedempte systemen. Ingenieurs moeten ervoor zorgen dat bedrijfssnelheden kritieke resonantieomstandigheden vermijden of voldoende demping bieden om de trillingsamplitudes te beperken.

Dempingsmechanismen en hun effecten

Demping is een energiedissipatiemechanisme dat de groei van de trillingsamplitude beperkt en zorgt voor stabiliteit in het systeem. Verschillende dempingsbronnen dragen bij aan het algehele systeemgedrag, waaronder interne demping van het materiaal, wrijvingsdemping en vloeistofdemping door smeermiddelen en omgevingslucht.

Materiaaldemping ontstaat door interne wrijving tussen componentmaterialen tijdens cyclische belasting. Dit dempingsmechanisme is met name van belang bij gietijzeren componenten, rubberen montage-elementen en composietmaterialen die in de moderne locomotiefbouw worden gebruikt.

Wrijvingsdemping treedt op bij de grensvlakken tussen componenten, waaronder lageroppervlakken, boutverbindingen en krimpverbindingen. Hoewel wrijvingsdemping een gunstige invloed kan hebben op de trillingsbeheersing, kan het ook niet-lineaire effecten en onvoorspelbaar gedrag veroorzaken onder wisselende belastingsomstandigheden.

Vloeistofdemping is het gevolg van viskeuze krachten in smeerfilms, hydraulische systemen en aerodynamische interacties. Oliefilmdemping in glijlagers biedt cruciale stabiliteit voor snel roterende machines, terwijl viskeuze dempers bewust kunnen worden toegepast om trillingen te beheersen.

Classificaties van excitatiekrachten

Centrifugale krachten Deze ontstaan door massa-onevenwichtigheden in roterende componenten, waardoor krachten ontstaan die evenredig zijn met het kwadraat van de rotatiesnelheid. Deze krachten werken radiaal naar buiten en roteren met het component mee, waardoor trillingen ontstaan bij rotatiefrequentie. De grootte van de centrifugale kracht neemt snel toe met de snelheid, waardoor nauwkeurig balanceren cruciaal is voor hogesnelheidstoepassingen.

Kinematische krachten Ontstaan door geometrische beperkingen die een niet-uniforme beweging opleggen aan systeemcomponenten. Heen- en weergaande mechanismen, nokvolgers en tandwielsystemen met profielfouten genereren kinematische excitatiekrachten. Deze krachten vertonen doorgaans een complexe frequentie-inhoud die verband houdt met de systeemgeometrie en rotatiesnelheden.

Impactkrachten Het gevolg zijn van plotselinge belasting of botsingen tussen componenten. Tandwielen grijpen in elkaar, lagerelementen rollen over oppervlaktedefecten en wiel-railinteracties creëren impactkrachten die worden gekenmerkt door een breed frequentiegehalte en hoge kruinfactoren. Impactkrachten vereisen gespecialiseerde analysetechnieken voor een correcte karakterisering.

Wrijvingskrachten Deze ontstaan door glijdend contact tussen oppervlakken met relatieve beweging. Remmen, lagerschuiven en kruip tussen wiel en rail genereren wrijvingskrachten die stick-slip-gedrag kunnen vertonen, wat leidt tot zelfopgewekte trillingen. De eigenschappen van wrijvingskrachten zijn sterk afhankelijk van de oppervlaktecondities, smering en normale belasting.

Elektromagnetische krachten Ze ontstaan door interacties tussen magnetische velden in elektromotoren en generatoren. Radiale elektromagnetische krachten zijn het gevolg van variaties in de luchtspleet, de geometrie van de poolstukken en asymmetrieën in de stroomverdeling. Deze krachten veroorzaken trillingen op lijnfrequentie, sleuffrequentie en combinaties daarvan.

Frequentieafhankelijke systeemeigenschappen

Mechanische systemen vertonen frequentieafhankelijke dynamische eigenschappen die de trillingsoverdracht en -versterking aanzienlijk beïnvloeden. Systeemstijfheid, demping en traagheidseigenschappen zorgen samen voor complexe frequentieresponsfuncties die de trillingsamplitude en faserelaties tussen ingangsexcitatie en systeemrespons beschrijven.

Bij frequenties ver onder de eerste eigenfrequentie gedragen systemen zich quasi-statisch met trillingsamplitudes die evenredig zijn met de amplitudes van de excitatiekracht. De dynamische versterking blijft minimaal en de faseverhoudingen blijven vrijwel nul.

Dynamische versterking nabij natuurlijke frequenties kan waarden bereiken van 10 tot 100 keer de statische afbuiging, afhankelijk van de dempingsniveaus. Faseverhoudingen verschuiven snel met 90 graden tijdens resonantie, waardoor de locaties van de natuurlijke frequenties duidelijk te identificeren zijn.

Bij frequenties die ver boven de natuurlijke frequenties liggen, domineren traagheidseffecten het systeemgedrag, waardoor de trillingsamplitudes afnemen bij toenemende frequentie. Hoogfrequente trillingsdemping zorgt voor een natuurlijke filtering die gevoelige componenten helpt isoleren van hoogfrequente storingen.

Gebundelde parameter versus gedistribueerde parametersystemen

Wielstel-motorblokken kunnen worden gemodelleerd als geconcentreerde parametersystemen bij het analyseren van laagfrequente trillingsmodi waarbij de componentafmetingen klein blijven in vergelijking met de trillingsgolflengte. Deze aanpak vereenvoudigt de analyse door de verdeelde massa en stijfheidseigenschappen weer te geven als discrete elementen, verbonden door massaloze veren en stijve verbindingen.

Gebundelde parametermodellen blijken effectief voor het analyseren van rotoronbalans, de effecten van de stijfheid van lagersteunen en de laagfrequente koppelingsdynamiek tussen motor- en wielstelcomponenten. Deze modellen maken een snelle analyse mogelijk en bieden een duidelijk fysiek inzicht in het systeemgedrag.

Gedistribueerde parametermodellen zijn noodzakelijk bij het analyseren van hoogfrequente trillingsmodi waarbij componentafmetingen de trillingsgolflengte benaderen. Asbuigingsmodi, de flexibiliteit van tandwielen en akoestische resonanties vereisen een gedistribueerde parameterbehandeling voor nauwkeurige voorspellingen.

Gedistribueerde parametermodellen houden rekening met golfvoortplantingseffecten, lokale modusvormen en frequentieafhankelijk gedrag die samengevoegde parametermodellen niet kunnen vastleggen. Deze modellen vereisen doorgaans numerieke oplossingstechnieken, maar bieden een completere systeemkarakterisering.

2.3.1.3. Eigenschappen en kenmerken van laagfrequente, middenfrequente, hoogfrequente en ultrasone trillingen in WMB, WGB en AM

Frequentiebandclassificaties en hun betekenis

Trillingsfrequentieanalyse vereist systematische classificatie van frequentiebanden om diagnostische procedures en apparatuurselectie te optimaliseren. Elke frequentieband biedt unieke informatie over specifieke mechanische verschijnselen en ontwikkelingsstadia van storingen.

Laagfrequente trillingen (1-200 Hz) Wordt voornamelijk veroorzaakt door onbalans in roterende machines, verkeerde uitlijning en structurele resonanties. Dit frequentiebereik omvat fundamentele rotatiefrequenties en hun lagere harmonischen, wat essentiële informatie oplevert over de mechanische conditie en operationele stabiliteit.

Trillingen met gemiddelde frequentie (200-2000 Hz) Omvat tandwielinteractiefrequenties, elektromagnetische excitatieharmonischen en mechanische resonanties van belangrijke structurele componenten. Dit frequentiebereik is cruciaal voor het diagnosticeren van tandwielslijtage, elektromagnetische problemen in motoren en slijtage van koppelingen.

Hoogfrequente trillingen (2000-20000 Hz) onthult defectsignaturen van lagers, stootkrachten op tandwielen en elektromagnetische harmonischen van hogere orde. Dit frequentiebereik biedt een vroege waarschuwing voor zich ontwikkelende defecten voordat deze zich manifesteren in lagere frequentiebanden.

Ultrasone trillingen (20.000+ Hz) Detecteert beginnende lagerdefecten, afbraak van de smeerfilm en wrijvingsgerelateerde verschijnselen. Ultrasone metingen vereisen gespecialiseerde sensoren en analysetechnieken, maar bieden de mogelijkheid om fouten zo vroeg mogelijk te detecteren.

Laagfrequente trillingsanalyse

Laagfrequente trillingsanalyse richt zich op fundamentele rotatiefrequenties en hun harmonischen tot ongeveer de 10e orde. Deze analyse brengt primaire mechanische omstandigheden aan het licht, waaronder massa-onbalans, scheve asuitlijning, mechanische losheid en problemen met lagerspeling.

Rotatiefrequentietrilling (1×) duidt op een massa-onbalans die centrifugale krachten creëert die met de as meedraaien. Pure onbalans veroorzaakt trillingen voornamelijk bij rotatiefrequentie met minimale harmonische inhoud. De trillingsamplitude neemt evenredig toe met het kwadraat van de rotatiesnelheid, wat een duidelijke diagnostische indicatie oplevert.

Trillingen met een dubbele rotatiefrequentie (2×) duiden doorgaans op een verkeerde uitlijning tussen gekoppelde assen of componenten. Hoekige verkeerde uitlijning creëert afwisselende spanningspatronen die zich twee keer per omwenteling herhalen, wat resulteert in een karakteristieke trillingssignatuur van 2×. Parallelle verkeerde uitlijning kan ook bijdragen aan trillingen van 2× door een variërende belastingverdeling.

Meervoudige harmonische inhoud (3×, 4×, 5×, enz.) duidt op mechanische losheid, versleten koppelingen of structurele problemen. Losheid maakt niet-lineaire krachtoverdracht mogelijk, wat een rijke harmonische inhoud genereert die zich uitstrekt tot ver buiten de grondfrequenties. Het harmonische patroon biedt diagnostische informatie over de locatie en ernst van de losheid.

Trillingskarakteristieken met gemiddelde frequentie

Middenfrequentieanalyse richt zich op de ingrijpfrequenties van tandwielen en hun modulatiepatronen. De ingrijpfrequentie van tandwielen is gelijk aan het product van de rotatiefrequentie en het aantal tanden, waardoor voorspelbare spectrale lijnen ontstaan die de toestand van het tandwiel en de belastingverdeling onthullen.

Gezonde tandwielen produceren prominente trillingen bij de ingrijpfrequentie met minimale zijbanden. Tandslijtage, tandscheuren of ongelijkmatige belasting veroorzaken amplitudemodulatie van de ingrijpfrequentie, waardoor zijbanden ontstaan die zich op de rotatiefrequenties van de ingrijpende tandwielen bevinden.

Elektromagnetische trillingen in tractiemotoren manifesteren zich voornamelijk in het middenfrequentiebereik. Harmonischen van de lijnfrequentie, sleufdoorgangsfrequenties en pooldoorgangsfrequenties creëren karakteristieke spectrale patronen die de conditie en belastingskarakteristieken van de motor onthullen.

De doorgangsfrequentie van de sleuven is gelijk aan het product van de rotatiefrequentie en het aantal rotorsleuven. Dit genereert trillingen door variaties in magnetische permeabiliteit wanneer rotorsleuven de statorpolen passeren. Gebroken rotorstaven of defecten aan de eindring moduleren de doorgangsfrequentie van de sleuven, waardoor diagnostische zijbanden ontstaan.

Hoogfrequente trillingsanalyse

Hoogfrequente trillingsanalyse richt zich op lagerdefectfrequenties en hoog-orde harmonischen van tandwielaangrijping. Wentellagers genereren karakteristieke frequenties op basis van geometrie en rotatiesnelheid, wat nauwkeurige diagnostische mogelijkheden biedt voor het beoordelen van de lagerconditie.

De kogeldoorlaatfrequentie (BPFO) treedt op wanneer rolelementen een defect in de stationaire buitenring passeren. Deze frequentie is afhankelijk van de lagergeometrie en varieert doorgaans van 3 tot 8 keer de rotatiefrequentie voor gangbare lagerontwerpen.

De kogeldoorlaatfrequentie (BPFI) binnenring is het gevolg van rolelementen die defecten in de binnenring tegenkomen. Omdat de binnenring met de as meedraait, is de BPFI doorgaans hoger dan de BPFO en kan er rotatiefrequentiemodulatie optreden als gevolg van belastingszone-effecten.

De fundamentele frequentie (FTF) vertegenwoordigt de rotatiefrequentie van de kooi en is doorgaans gelijk aan 0,4-0,45 keer de rotatiefrequentie van de as. Kooidefecten of smeringsproblemen kunnen trillingen veroorzaken bij de FTF en de bijbehorende harmonischen.

De kogeldraaifrequentie (BSF) geeft de rotatie van een individueel rolelement om zijn eigen as aan. Deze frequentie verschijnt zelden in trillingsspectra, tenzij rolelementen oppervlaktedefecten of maatafwijkingen vertonen.

Toepassingen van ultrasone trillingen

Ultrasone trillingsmetingen detecteren beginnende lagerdefecten weken of maanden voordat ze zichtbaar worden bij conventionele trillingsanalyses. Oppervlakteruwheid, microscheuren en afbraak van de smeerfilm genereren ultrasone emissies die voorafgaan aan meetbare veranderingen in de frequentie van lagerdefecten.

Envelope-analysetechnieken extraheren amplitudemodulatie-informatie uit ultrasone draagfrequenties, waardoor laagfrequente modulatiepatronen worden onthuld die overeenkomen met lagerdefectfrequenties. Deze aanpak combineert hoogfrequente gevoeligheid met laagfrequente diagnostische informatie.

Ultrasone metingen vereisen een zorgvuldige sensorselectie en -montage om signaalvervuiling door elektromagnetische interferentie en mechanische ruis te voorkomen. Accelerometers met een frequentierespons boven 50 kHz en een goede signaalconditionering zorgen voor betrouwbare ultrasone metingen.

Oorsprong van mechanische versus elektromagnetische trillingen

Mechanische trillingsbronnen creëren breedbandige excitatie met een frequentie die gerelateerd is aan de geometrie en kinematica van de componenten. Stootkrachten door lagerdefecten, het ingrijpen van tandwielen en mechanische losheid genereren impulsieve signalen met een rijke harmonische inhoud die zich over een breed frequentiebereik uitstrekken.

Elektromagnetische trillingsbronnen produceren discrete frequentiecomponenten die verband houden met de frequentie van de elektrische voeding en de ontwerpparameters van de motor. Deze frequenties blijven onafhankelijk van de mechanische rotatiesnelheden en behouden een vaste relatie met de frequentie van het elektriciteitsnet.

Het onderscheid tussen mechanische en elektromagnetische trillingsbronnen vereist een zorgvuldige analyse van de frequentieverhoudingen en de belastingafhankelijkheid. Mechanische trillingen variëren doorgaans met de rotatiesnelheid en de mechanische belasting, terwijl elektromagnetische trillingen correleren met de elektrische belasting en de kwaliteit van de voedingsspanning.

Impact- en schok-vibratiekarakteristieken

Impacttrillingen zijn het gevolg van plotselinge krachtsinspanningen van zeer korte duur. Tandwielen, lagers die tegen elkaar botsen en wiel-railcontact genereren impactkrachten die meerdere structurele resonanties tegelijkertijd opwekken.

Impactgebeurtenissen produceren karakteristieke tijddomeinkenmerken met hoge crestfactoren en een breed frequentiespectrum. Het frequentiespectrum van impacttrillingen hangt meer af van de structurele responskarakteristieken dan van de impact zelf, waardoor tijddomeinanalyse vereist is voor een correcte interpretatie.

Spectrumanalyse van de schokrespons biedt een uitgebreide karakterisering van de structurele respons op impactbelasting. Deze analyse onthult welke eigenfrequenties door impactgebeurtenissen worden geëxciteerd en wat hun relatieve bijdrage is aan de totale trillingsniveaus.

Willekeurige trillingen door wrijvingsbronnen

Door wrijving veroorzaakte trillingen vertonen willekeurige kenmerken vanwege de stochastische aard van contactverschijnselen op het oppervlak. Rempiepen, klapperen van lagers en de interactie tussen wiel en rail creëren breedbandige willekeurige trillingen waarvoor statistische analysetechnieken nodig zijn.

Stick-slipgedrag in wrijvingssystemen creëert zelfopgewekte trillingen met een complexe frequentie-inhoud. De variaties in de wrijvingskracht tijdens stick-slipcycli genereren subharmonische trillingscomponenten die kunnen samenvallen met structurele resonanties, wat leidt tot versterkte trillingsniveaus.

Willekeurige trillingsanalyse maakt gebruik van spectrale vermogensdichtheidsfuncties en statistische parameters zoals RMS-niveaus en waarschijnlijkheidsverdelingen. Deze technieken bieden een kwantitatieve beoordeling van de ernst van willekeurige trillingen en de potentiële impact ervan op de vermoeiingslevensduur van componenten.

2.3.1.4. Ontwerpkenmerken van WMB, WGB, AM en hun invloed op de trillingskarakteristieken

Primaire WMB-, WGB- en AM-configuraties

Locomotieffabrikanten gebruiken verschillende mechanische systemen om het vermogen van tractiemotoren over te brengen op de aandrijfwielen. Elke configuratie heeft unieke trillingskarakteristieken die direct van invloed zijn op de diagnostische benaderingen en onderhoudsvereisten.

Tractiemotoren met neusophanging worden direct op de assen van het wielstel gemonteerd, waardoor een stijve mechanische koppeling tussen motor en wielstel ontstaat. Deze configuratie minimaliseert de krachtoverbrengingsverliezen, maar stelt de motoren bloot aan alle door het spoor veroorzaakte trillingen en schokken. De directe montage koppelt elektromagnetische trillingen van de motor aan mechanische trillingen van het wielstel, waardoor complexe spectrale patronen ontstaan die een zorgvuldige analyse vereisen.

Aan het frame gemonteerde tractiemotoren maken gebruik van flexibele koppelingssystemen om vermogen over te brengen naar wielstellen en tegelijkertijd de motoren te isoleren van verstoringen op het spoor. Kruiskoppelingen, flexibele koppelingen of tandwielkoppelingen vangen de relatieve beweging tussen motor en wielstel op, terwijl de krachtoverbrengingscapaciteit behouden blijft. Deze opstelling vermindert de blootstelling aan motortrillingen, maar introduceert extra trillingsbronnen via de koppelingsdynamiek.

Tandwieloverbrengingssystemen maken gebruik van een tussenliggende tandwielreductie tussen motor en wielstel om de bedrijfseigenschappen van de motor te optimaliseren. Een enkeltraps schroefvormige tandwielreductie zorgt voor een compact ontwerp met een gematigd geluidsniveau, terwijl tweetraps reductiesystemen meer flexibiliteit bieden bij de keuze van de overbrengingsverhouding, maar de complexiteit en potentiële trillingsbronnen verhogen.

Mechanische koppelingssystemen en trillingsoverdracht

De mechanische interface tussen de rotor van de tractiemotor en het tandwiel heeft een aanzienlijke invloed op de trillingsoverdracht. Krimpverbindingen zorgen voor een stijve koppeling met uitstekende concentriciteit, maar kunnen montagespanningen veroorzaken die de kwaliteit van de rotorbalans beïnvloeden.

Verbindingen met een sleutel maken thermische uitzetting mogelijk en vereenvoudigen de montageprocedures, maar introduceren speling en mogelijke stootbelasting tijdens koppelomkeringen. Slijtage van de sleutel zorgt voor extra speling, waardoor stootkrachten ontstaan die twee keer zo hoog zijn als de rotatiefrequentie tijdens acceleratie- en deceleratiecycli.

Splineverbindingen bieden een superieure koppeloverdracht en maken axiale verplaatsing mogelijk, maar vereisen nauwkeurige productietoleranties om trillingen te minimaliseren. Splineslijtage veroorzaakt speling in de omtrek, wat complexe trillingspatronen oplevert, afhankelijk van de belastingsomstandigheden.

Flexibele koppelingssystemen isoleren torsietrillingen en compenseren tegelijkertijd uitlijnfouten tussen verbonden assen. Elastomere koppelingen bieden uitstekende trillingsisolatie, maar vertonen temperatuurafhankelijke stijfheidseigenschappen die de natuurlijke frequentielocaties beïnvloeden. Tandwielkoppelingen behouden constante stijfheidseigenschappen, maar genereren trillingen met een maaswijdte die bijdragen aan de algehele spectrale inhoud van het systeem.

Wielset aslagerconfiguraties

Wielstellagers ondersteunen verticale, laterale en axiaal belaste delen en houden rekening met thermische uitzetting en variaties in de spoorgeometrie. Cilinderrollagers kunnen radiale belastingen efficiënt verwerken, maar vereisen aparte axiaal lageropstellingen voor de ondersteuning van de axiale belasting.

Kegellagers bieden een gecombineerde radiale en axiaal belastbaarheid met superieure stijfheidseigenschappen in vergelijking met kogellagers. De conische geometrie creëert een inherente voorspanning die interne speling elimineert, maar vereist een nauwkeurige afstelling om overmatige belasting of onvoldoende ondersteuning te voorkomen.

Dubbelrijige bolvormige rollagers kunnen grote radiale belastingen en matige axiale belastingen opvangen en bieden tegelijkertijd zelfinstellende eigenschappen om asdoorbuiging en verkeerde uitlijning van de behuizing te compenseren. De bolvormige geometrie van de buitenring zorgt voor een oliefilmdemping die de trillingsoverdracht helpt beheersen.

Lagerspeling heeft een aanzienlijke invloed op de trillingskarakteristieken en de belastingverdeling. Te veel speling maakt impactbelasting mogelijk tijdens belastingomkeercycli, wat hoogfrequente impacttrillingen veroorzaakt. Onvoldoende speling creëert voorspanning die de rolweerstand en warmteontwikkeling verhoogt en mogelijk de trillingsamplitude vermindert.

Invloed van het ontwerp van het tandwielsysteem op trillingen

De geometrie van de tandwielen heeft een directe invloed op de amplitude van de trillingen in de maaswijdte en de harmonische inhoud. Evolvente tandprofielen met de juiste drukhoeken en addendumaanpassingen minimaliseren variaties in de maaswijdte en de bijbehorende trillingsgeneratie.

Spiraalvormige tandwielen zorgen voor een soepelere krachtoverbrenging in vergelijking met rechte tandwielen dankzij de geleidelijke ingrijping van de tanden. De spiraalhoek creëert axiale krachtcomponenten die ondersteuning door een axiaal lager vereisen, maar vermindert de trillingsamplitude van de ingrijpfrequentie aanzienlijk.

De tandwielcontactverhouding bepaalt het aantal tanden dat gelijktijdig in elkaar grijpt tijdens de krachtoverbrenging. Hogere contactverhoudingen verdelen de belasting over meer tanden, waardoor de individuele tandspanning en de variaties in de ingrijpkracht afnemen. Contactverhoudingen boven de 1,5 zorgen voor een aanzienlijke trillingsreductie in vergelijking met lagere verhoudingen.

De nauwkeurigheid van tandwielproductie beïnvloedt de trillingsgeneratie door fouten in de tandafstand, profielafwijkingen en variaties in de oppervlakteafwerking. AGMA-kwaliteitskwaliteiten kwantificeren de productienauwkeurigheid. Hogere kwaliteiten produceren lagere trillingsniveaus, maar vereisen duurdere productieprocessen.

De belastingverdeling over de breedte van het tandwielvlak beïnvloedt lokale spanningsconcentraties en trillingsgeneratie. Gekroonde tandoppervlakken en een correcte asuitlijning zorgen voor een gelijkmatige belastingverdeling en minimaliseren de randbelasting die hoogfrequente trillingen veroorzaakt.

Cardan-assystemen in WGB-toepassingen

Wielstel-tandwielblokken met cardanas-krachtoverbrenging maken grotere afstanden tussen motor en wielstel mogelijk en bieden tegelijkertijd flexibele koppelingsmogelijkheden. Kruiskoppelingen aan beide uiteinden van de cardanas creëren kinematische beperkingen die karakteristieke trillingspatronen genereren.

Een enkele cardankoppeling veroorzaakt snelheidsvariaties die trillingen veroorzaken met een frequentie die twee keer zo hoog is als de rotatiefrequentie van de as. De amplitude van deze trillingen is afhankelijk van de hoek van de koppeling, waarbij grotere hoeken hogere trillingsniveaus veroorzaken volgens algemeen aanvaarde kinematische relaties.

Dubbele kruiskoppelingen met de juiste fasering elimineren eerste-orde snelheidsvariaties, maar introduceren hogere-orde-effecten die significant worden bij grote bedrijfshoeken. Homokinetische koppelingen bieden superieure trillingseigenschappen, maar vereisen complexere productie- en onderhoudsprocedures.

De kritische toerentallen van de cardanas moeten goed gescheiden blijven van de operationele toerentalbereiken om resonantieversterking te voorkomen. De diameter, lengte en materiaaleigenschappen van de as bepalen de kritische toerentallocaties en vereisen een zorgvuldige ontwerpanalyse voor elke toepassing.

Trillingskarakteristieken tijdens verschillende bedrijfsomstandigheden

Locomotiefbedrijf brengt diverse bedrijfsomstandigheden met zich mee die de trillingssignaturen en diagnostische interpretatie aanzienlijk beïnvloeden. Statische tests met locomotieven die op onderhoudsstands staan, elimineren door het spoor veroorzaakte trillingen en de interactie tussen wiel en rail, waardoor gecontroleerde omstandigheden voor nulmetingen ontstaan.

Ophangingssystemen voor het loopwerk isoleren de carrosserie van een locomotief tegen trillingen van het wielstel tijdens normaal gebruik, maar kunnen bij specifieke frequenties resonantie-effecten veroorzaken. De eigenfrequenties van de primaire ophanging variëren doorgaans van 1-3 Hz voor verticale modi en 0,5-1,5 Hz voor laterale modi, wat de transmissie van laagfrequente trillingen kan beïnvloeden.

Onregelmatigheden in het spoor veroorzaken trillingen in het wielstel over een breed frequentiebereik, afhankelijk van de treinsnelheid en de staat van het spoor. Railverbindingen creëren periodieke schokken met frequenties die worden bepaald door de lengte van de rails en de treinsnelheid, terwijl variaties in de spoorbreedte laterale trillingen genereren die gepaard gaan met schommelingen in het wielstel.

Tractie- en remkrachten veroorzaken extra belasting die de lagerbelastingverdeling en de aangrijpkarakteristieken van de tandwielen beïnvloedt. Hoge tractiebelastingen verhogen de contactspanningen tussen de tandwielen en kunnen belastingzones in wielstellagers verschuiven, waardoor trillingspatronen veranderen ten opzichte van onbelaste omstandigheden.

Trillingskenmerken van hulpmachines

Koelventilatorsystemen maken gebruik van verschillende waaierontwerpen die verschillende trillingskenmerken creëren. Centrifugaalventilatoren genereren trillingen met een doorgangsfrequentie van de schoepen, waarvan de amplitude afhankelijk is van het aantal schoepen, het toerental en de aerodynamische belasting. Axiale ventilatoren produceren vergelijkbare doorgangsfrequenties van de schoepen, maar met een verschillende harmonische samenstelling vanwege verschillen in stromingspatronen.

Onbalans in de ventilator veroorzaakt trillingen bij een rotatiefrequentie waarvan de amplitude evenredig is met het kwadraat van de snelheid, vergelijkbaar met andere roterende machines. Aerodynamische krachten door vervuiling, erosie of schade aan de schoepen kunnen echter extra trillingscomponenten veroorzaken die de diagnostische interpretatie bemoeilijken.

Luchtcompressorsystemen maken doorgaans gebruik van reciprocerende ontwerpen die trillingen genereren bij de rotatiefrequentie van de krukas en de bijbehorende harmonischen. Het aantal cilinders en de ontstekingsvolgorde bepalen de harmonische samenstelling, waarbij meer cilinders over het algemeen zorgen voor een soepelere werking en lagere trillingsniveaus.

Trillingen bij hydraulische pompen zijn afhankelijk van het pomptype en de bedrijfsomstandigheden. Tandwielpompen produceren trillingen met een grijpfrequentie die vergelijkbaar zijn met tandwielsystemen, terwijl schoepenpompen trillingen met een doorgangsfrequentie van de schoepen genereren. Pompen met variabel slagvolume kunnen complexe trillingspatronen vertonen die variëren afhankelijk van de slagvolume-instellingen en de belasting.

Effecten van asondersteuning en montagesysteem

De stijfheid van de lagerbehuizing heeft een aanzienlijke invloed op de trillingsoverdracht van roterende componenten naar stationaire structuren. Flexibele behuizingen kunnen de trillingsoverdracht verminderen, maar laten een grotere asbeweging toe, wat de interne speling en belastingverdeling kan beïnvloeden.

De stijfheid van de fundering en de montagemethoden beïnvloeden de resonantiefrequenties en de trillingsversterkende eigenschappen van de constructie. Zachte montagesystemen isoleren trillingen, maar kunnen laagfrequente resonanties veroorzaken die door onbalans veroorzaakte trillingen versterken.

Koppeling tussen meerdere assen via flexibele elementen of tandwielkoppelingen creëert complexe dynamische systemen met meerdere eigenfrequenties en modusvormen. Deze gekoppelde systemen kunnen zwevingsfrequenties vertonen wanneer de frequenties van individuele componenten licht afwijken, waardoor amplitudemodulatiepatronen ontstaan bij trillingsmetingen.

2.3.1.5. Technische apparatuur en software voor trillingsbewaking en -diagnostiek

Vereisten voor trillingsmeet- en analysesystemen

Effectieve trillingsdiagnostiek van componenten van spoorweglocomotieven vereist geavanceerde meet- en analysemogelijkheden die de unieke uitdagingen van spoorwegomgevingen aanpakken. Moderne trillingsanalysesystemen moeten een breed dynamisch bereik, een hoge frequentieresolutie en robuuste werking bieden onder zware omstandigheden, waaronder extreme temperaturen, elektromagnetische interferentie en mechanische schokken.

De dynamische bereikvereisten voor locomotieftoepassingen bedragen doorgaans meer dan 80 dB om zowel beginnende defecten met een lage amplitude als operationele trillingen met een hoge amplitude vast te leggen. Dit bereik is geschikt voor metingen van micrometers per seconde bij beginnende lagerdefecten tot honderden millimeters per seconde bij ernstige onbalans.

Frequentieresolutie bepaalt het vermogen om dicht bij elkaar gelegen spectrale componenten te scheiden en modulatiepatronen te identificeren die kenmerkend zijn voor specifieke storingstypen. De resolutiebandbreedte mag niet hoger zijn dan 1% van de laagste relevante frequentie, wat een zorgvuldige selectie van analyseparameters voor elke meettoepassing vereist.

Temperatuurstabiliteit garandeert de meetnauwkeurigheid binnen de brede temperatuurbereiken die in locomotieven voorkomen. Meetsystemen moeten een kalibratienauwkeurigheid van ±5% behouden over temperatuurbereiken van -40 °C tot +70 °C om seizoensschommelingen en opwarming van de apparatuur op te vangen.

Lagerconditie-indicatoren met behulp van ultrasone trillingen

Ultrasone trillingsanalyse biedt de vroegst mogelijke detectie van lagerverslechtering door het monitoren van hoogfrequente emissies afkomstig van contact met de oppervlakteruwheid en het afbreken van de smeerfilm. Deze verschijnselen gaan weken of maanden vooraf aan conventionele trillingssignalen, wat proactieve onderhoudsplanning mogelijk maakt.

Met piekenergiemetingen worden impulsieve ultrasone emissies gekwantificeerd met behulp van gespecialiseerde filters die transiënten benadrukken en stationaire achtergrondruis onderdrukken. De techniek maakt gebruik van hoogdoorlaatfiltering boven 5 kHz, gevolgd door envelopdetectie en RMS-berekening over korte tijdsintervallen.

High Frequency Envelope (HFE)-analyse extraheert amplitudemodulatie-informatie uit ultrasone draaggolven en onthult laagfrequente modulatiepatronen die overeenkomen met lagerdefectfrequenties. Deze aanpak combineert ultrasone gevoeligheid met conventionele frequentieanalysemogelijkheden.

Shock Pulse Method (SPM) meet de piekamplitudes van ultrasone transiënten met behulp van speciale resonantietransducers, afgestemd op ongeveer 32 kHz. Deze techniek levert dimensieloze lagerconditie-indicatoren die goed correleren met de ernst van de lagerschade.

Ultrasone conditie-indicatoren vereisen zorgvuldige kalibratie en trendanalyse om basiswaarden en schadeprogressiesnelheden vast te stellen. Omgevingsfactoren zoals temperatuur, belasting en smeeromstandigheden hebben een aanzienlijke invloed op de indicatorwaarden, waardoor uitgebreide basislijndatabases noodzakelijk zijn.

Hoogfrequente trillingsmodulatieanalyse

Wentellagers genereren karakteristieke modulatiepatronen in hoogfrequente trillingen als gevolg van periodieke belastingsvariaties wanneer wentelelementen loopvlakdefecten tegenkomen. Deze modulatiepatronen verschijnen als zijbanden rond structurele resonantiefrequenties en eigenfrequenties van het lager.

Envelope-analysetechnieken extraheren modulatie-informatie door trillingssignalen te filteren om frequentiebanden met lagerresonanties te isoleren, door enveloppedetectie toe te passen om amplitudevariaties te herstellen en door het enveloppespectrum te analyseren om defecte frequenties te identificeren.

Identificatie van resonantie is cruciaal voor een effectieve analyse van de omhulling, aangezien excitatie van lagerimpact bij voorkeur specifieke structurele resonanties opwekt. Swept-sine-testen of impact-modale analyse helpen bij het identificeren van optimale frequentiebanden voor de analyse van de omhulling van elke lagerlocatie.

Digitale filtertechnieken voor envelopanalyse omvatten filters met eindige impulsrespons (FIR) die lineaire fasekarakteristieken bieden en signaalvervorming voorkomen, en filters met oneindige impulsrespons (IIR) die steile afrolkarakteristieken bieden met lagere rekenvereisten.

Parameters voor enveloppespectrumanalyse hebben een aanzienlijke invloed op de diagnostische gevoeligheid en nauwkeurigheid. De filterbandbreedte moet de structurele resonantie omvatten en aangrenzende resonanties uitsluiten, en de lengte van het analysevenster moet voldoende frequentieresolutie bieden om de frequenties van lagerdefecten en hun harmonischen te scheiden.

Uitgebreide monitoringsystemen voor roterende apparatuur

Moderne locomotiefonderhoudsfaciliteiten maken gebruik van geïntegreerde monitoringsystemen die meerdere diagnostische technieken combineren om de conditie van roterende apparatuur uitgebreid te beoordelen. Deze systemen integreren trillingsanalyse met olieanalyse, thermische monitoring en prestatieparameters om de diagnostische nauwkeurigheid te verbeteren.

Draagbare trillingsanalysatoren dienen als primaire diagnostische hulpmiddelen voor periodieke conditiebeoordeling tijdens geplande onderhoudsintervallen. Deze instrumenten bieden spectrale analyse, tijdsregistratie van golfvormen en geautomatiseerde algoritmen voor foutdetectie, geoptimaliseerd voor locomotieftoepassingen.

Permanent geïnstalleerde monitoringsystemen maken continue bewaking van kritieke componenten tijdens bedrijf mogelijk. Deze systemen maken gebruik van gedistribueerde sensornetwerken, draadloze gegevensoverdracht en geautomatiseerde analysealgoritmen voor realtime conditiebeoordeling en alarmgeneratie.

Data-integratiemogelijkheden combineren informatie van meerdere diagnostische technieken om de betrouwbaarheid van foutdetectie te verbeteren en het aantal valse alarmen te verminderen. Fusie-algoritmen wegen de bijdragen van verschillende diagnostische methoden op basis van hun effectiviteit voor specifieke fouttypen en bedrijfsomstandigheden.

Sensortechnologieën en installatiemethoden

De keuze van de trillingssensor heeft een aanzienlijke invloed op de meetkwaliteit en diagnostische effectiviteit. Piëzo-elektrische accelerometers bieden een uitstekende frequentierespons en gevoeligheid voor de meeste locomotieftoepassingen, terwijl elektromagnetische snelheidstransducers een superieure laagfrequentierespons bieden voor grote roterende machines.

Sensormontagemethoden hebben een cruciale invloed op de meetnauwkeurigheid en betrouwbaarheid. Schroefdraden bieden een optimale mechanische koppeling voor permanente installaties, terwijl magnetische montage handig is voor periodieke metingen op ferromagnetische oppervlakken. Lijmmontage is geschikt voor niet-ferromagnetische oppervlakken, maar vereist oppervlaktevoorbereiding en uithardingstijd.

De sensororiëntatie beïnvloedt de meetgevoeligheid voor verschillende trillingsmodi. Radiale metingen detecteren onbalans en scheefstelling het meest effectief, terwijl axiale metingen problemen met axiaallagers en scheefstelling van de koppeling aan het licht brengen. Tangentiële metingen leveren unieke informatie over torsietrillingen en de dynamiek van het aangrijpen van tandwielen.

Milieubescherming vereist zorgvuldige aandacht voor extreme temperaturen, blootstelling aan vocht en elektromagnetische interferentie. Afgedichte versnellingsmeters met geïntegreerde kabels bieden superieure betrouwbaarheid in vergelijking met verwijderbare connectorontwerpen in zware spoorwegomgevingen.

Signaalconditionering en data-acquisitie

Signaalconditioneringselektronica zorgt voor sensorexcitatie, -versterking en -filtering, noodzakelijk voor nauwkeurige trillingsmetingen. Constante stroomexcitatiecircuits voeden piëzo-elektrische accelerometers en behouden tegelijkertijd een hoge ingangsimpedantie om de sensorgevoeligheid te behouden.

Anti-aliasingfilters voorkomen frequentievouwartefacten tijdens analoog-naar-digitaalconversie door signaalcomponenten boven de Nyquist-frequentie te verzwakken. Deze filters moeten voldoende stopbandonderdrukking bieden en tegelijkertijd een vlakke doorlaatbandrespons behouden om de signaalkwaliteit te behouden.

De resolutie van analoog-naar-digitaalconversie bepaalt het dynamische bereik en de nauwkeurigheid van de meting. De 24-bitsconversie biedt een theoretisch dynamisch bereik van 144 dB, waardoor zowel foutsignaturen met een lage amplitude als operationele trillingen met een hoge amplitude binnen dezelfde acquisitie kunnen worden gemeten.

De selectie van de bemonsteringsfrequentie volgt het Nyquist-criterium, dat bemonsteringsfrequenties vereist die minstens twee keer zo hoog zijn als de hoogste frequentie van belang. Praktische implementaties gebruiken oversamplingverhoudingen van 2,5:1 tot 4:1 om anti-aliasing filterovergangsbanden te accommoderen en analyseflexibiliteit te bieden.

Selectie en oriëntatie van meetpunten

Effectieve trillingsbewaking vereist een systematische selectie van meetlocaties die maximale gevoeligheid voor storingen bieden en tegelijkertijd interferentie van externe trillingsbronnen minimaliseren. Meetpunten moeten zo dicht mogelijk bij lagersteunen en andere kritische belastingspaden worden geplaatst.

Metingen aan lagerhuizen geven directe informatie over de lagerconditie en interne dynamiek. Radiale metingen aan lagerhuizen detecteren onbalans, verkeerde uitlijning en lagerdefecten het meest effectief, terwijl axiale metingen axiaalbelasting en koppelingsproblemen aan het licht brengen.

Metingen van het motorframe leggen elektromagnetische trillingen en de algehele conditie van de motor vast, maar vertonen mogelijk een lagere gevoeligheid voor lagerdefecten vanwege trillingsdemping via de motorstructuur. Deze metingen vormen een aanvulling op metingen van lagerhuizen voor een uitgebreide motorbeoordeling.

Metingen van tandwielkasten detecteren trillingen in de tandwielaangrijping en de dynamiek van de interne tandwielen, maar vereisen een zorgvuldige interpretatie vanwege complexe trillingsoverdrachtspaden en meerdere excitatiebronnen. Meetlocaties nabij de hartlijnen van de tandwielaangrijping bieden maximale gevoeligheid voor problemen gerelateerd aan de aangrijping.

Selectie van de bedrijfsmodus voor diagnostische tests

De effectiviteit van diagnostische tests hangt sterk af van de selectie van geschikte bedrijfsomstandigheden die optimale excitatie van storinggerelateerde trillingen bieden en tegelijkertijd de veiligheid en bescherming van de apparatuur waarborgen. Verschillende bedrijfsmodi onthullen verschillende aspecten van de componentconditie en storingsontwikkeling.

Onbelast testen elimineert belastingsafhankelijke trillingsbronnen en biedt basismetingen voor vergelijking met belaste omstandigheden. Deze modus brengt onbalans, verkeerde uitlijning en elektromagnetische problemen het duidelijkst aan het licht, terwijl trillingen in de tandwielaangrijping en de effecten van de lagerbelasting worden geminimaliseerd.

Belaste tests met verschillende vermogensniveaus onthullen belastingsafhankelijke verschijnselen, waaronder de dynamiek van het tandwielaangrijpen, de effecten van de lagerbelastingverdeling en elektromagnetische belastinginvloeden. Progressieve belasting helpt bij het onderscheiden van belastingsonafhankelijke en belastingsafhankelijke trillingsbronnen.

Gerichte tests met voorwaartse en achterwaartse rotatie bieden aanvullende diagnostische informatie over asymmetrische problemen, zoals slijtagepatronen van tandwielen, variaties in de lagervoorspanning en slijtagekenmerken van de koppeling. Sommige fouten vertonen richtingsgevoeligheid die helpt bij het lokaliseren van fouten.

Frequentiemetingen tijdens het opstarten en uitschakelen leggen trillingsgedrag vast over het volledige toerentalbereik en onthullen resonantieomstandigheden en snelheidsafhankelijke verschijnselen. Deze metingen helpen bij het identificeren van kritische snelheden en locaties van eigen frequenties.

Effecten van smering op diagnostische kenmerken

De smering heeft een aanzienlijke invloed op de trillingskenmerken en de diagnostische interpretatie, met name bij lagerbewaking. Vers smeermiddel zorgt voor effectieve demping die de trillingsoverdracht vermindert, terwijl verontreinigd of gedegradeerd smeermiddel de trillingskenmerken kan versterken.

De viscositeit van smeermiddelen verandert met de temperatuur en beïnvloedt de lagerdynamiek en trillingseigenschappen. Koud smeermiddel verhoogt de viskeuze demping en kan beginnende lagerdefecten maskeren, terwijl oververhit smeermiddel zorgt voor verminderde demping en bescherming.

Verontreinigd smeermiddel met slijtagedeeltjes, water of vreemd materiaal creëert extra trillingsbronnen door schurend contact en stromingsturbulentie. Deze effecten kunnen de werkelijke foutsignaturen overschaduwen en de diagnostische interpretatie bemoeilijken.

Problemen met het smeersysteem, zoals onvoldoende doorstroming, drukvariaties en onregelmatigheden in de distributie, veroorzaken tijdsafhankelijke lagerbelastingen die trillingspatronen beïnvloeden. Correlatie tussen de werking van het smeersysteem en trillingskarakteristieken levert waardevolle diagnostische informatie op.

Meetfoutherkenning en kwaliteitscontrole

Betrouwbare diagnostiek vereist systematische identificatie en eliminatie van meetfouten die kunnen leiden tot onjuiste conclusies en onnodige onderhoudsacties. Veelvoorkomende oorzaken van fouten zijn problemen met de sensormontage, elektrische interferentie en onjuiste meetparameters.

Verificatie van sensormontage maakt gebruik van eenvoudige technieken, waaronder handmatige excitatietests, vergelijkende metingen op aangrenzende locaties en verificatie van de frequentierespons met behulp van bekende excitatiebronnen. Losse montage vermindert doorgaans de gevoeligheid voor hoge frequenties en kan ongewenste resonanties veroorzaken.

Detectie van elektrische interferentie omvat het identificeren van spectrale componenten op lijnfrequentie (50/60 Hz) en hun harmonischen, het vergelijken van metingen met uitgeschakelde stroom en het evalueren van de coherentie tussen trillingen en elektrische signalen. Goede aarding en afscherming elimineren de meeste bronnen van interferentie.

Parameterverificatie omvat de bevestiging van meeteenheden, frequentiebereikinstellingen en analyseparameters. Een onjuiste parameterselectie kan leiden tot meetartefacten die lijken op echte foutsignaturen.

Geïntegreerde diagnostische systeemarchitectuur

Moderne locomotiefonderhoudsfaciliteiten maken gebruik van geïntegreerde diagnosesystemen die meerdere conditiebewakingstechnieken combineren met gecentraliseerd databeheer en analysemogelijkheden. Deze systemen bieden uitgebreide apparatuurbeoordelingen en verminderen de noodzaak voor handmatige gegevensverzameling en -analyse.

Gedistribueerde sensornetwerken maken gelijktijdige monitoring van meerdere componenten in de gehele locomotief mogelijk. Draadloze sensorknooppunten verminderen de installatiecomplexiteit en onderhoudsvereisten en bieden realtime gegevensoverdracht naar centrale verwerkingssystemen.

Geautomatiseerde analysealgoritmen verwerken inkomende datastromen om zich ontwikkelende problemen te identificeren en onderhoudsaanbevelingen te genereren. Machine learning-technieken passen algoritmeparameters aan op basis van historische gegevens en onderhoudsresultaten om de diagnostische nauwkeurigheid in de loop der tijd te verbeteren.

Database-integratie combineert resultaten van trillingsanalyses met onderhoudsgeschiedenis, bedrijfsomstandigheden en componentspecificaties om uitgebreide ondersteuning te bieden bij de beoordeling van apparatuur en onderhoudsplanning.

2.3.1.6. Praktische implementatie van trillingsmeettechnologie

Kennismaking met en installatie van het diagnostische systeem

Effectieve trillingsdiagnostiek begint met een grondige kennis van de mogelijkheden en beperkingen van diagnostische apparatuur. Moderne draagbare analysers integreren meerdere meet- en analysefuncties, waardoor systematische training vereist is om alle beschikbare functies effectief te kunnen gebruiken.

Systeemconfiguratie omvat het vaststellen van meetparameters die geschikt zijn voor locomotieftoepassingen, waaronder frequentiebereiken, resolutie-instellingen en analysetypen. Standaardconfiguraties bieden zelden optimale prestaties voor specifieke toepassingen, waardoor maatwerk op basis van componentkenmerken en diagnostische doelstellingen noodzakelijk is.

Kalibratieverificatie garandeert meetnauwkeurigheid en herleidbaarheid naar nationale normen. Dit proces omvat het aansluiten van precisiekalibratiebronnen en het verifiëren van de systeemrespons over alle frequentie- en amplitudebereiken die voor diagnostische metingen worden gebruikt.

De databaseconfiguratie bepaalt de hiërarchie van apparatuur, de definitie van meetpunten en de analyseparameters voor elk bewaakt onderdeel. Een goede databaseorganisatie vergemakkelijkt efficiënte gegevensverzameling en maakt geautomatiseerde vergelijking met historische trends en alarmlimieten mogelijk.

Routeontwikkeling en databaseconfiguratie

Routeontwikkeling omvat de systematische identificatie van meetpunten en -sequenties die een volledige dekking van kritische componenten bieden en tegelijkertijd de efficiëntie van de gegevensverzameling optimaliseren. Effectieve routes combineren diagnostische volledigheid met praktische tijdsbeperkingen.

Bij de selectie van meetpunten wordt prioriteit gegeven aan locaties die maximale gevoeligheid bieden voor mogelijke storingen, terwijl herhaalbare sensorplaatsing en acceptabele veilige toegang worden gegarandeerd. Elk meetpunt vereist documentatie van de exacte locatie, sensororiëntatie en meetparameters.

Componentidentificatiesystemen maken geautomatiseerde data-organisatie en -analyse mogelijk door meetpunten te koppelen aan specifieke apparatuur. Hiërarchische organisatie maakt vlootbrede analyse en vergelijking tussen vergelijkbare componenten van meerdere locomotieven mogelijk.

De definitie van analyseparameters bepaalt de frequentiebereiken, resolutie-instellingen en verwerkingsopties die geschikt zijn voor elk meetpunt. Lagerlocaties vereisen hoogfrequente capaciteit met envelopanalyseopties, terwijl balans- en uitlijningsmetingen de nadruk leggen op laagfrequente prestaties.

Visuele inspectie- en voorbereidingsprocedures

Visuele inspectie biedt essentiële informatie over de conditie van componenten en mogelijke meetcomplicaties voordat trillingsmetingen worden uitgevoerd. Deze inspectie brengt voor de hand liggende problemen aan het licht die mogelijk geen gedetailleerde trillingsanalyse vereisen, en identificeert tegelijkertijd factoren die de meetkwaliteit kunnen beïnvloeden.

Inspectie van het smeersysteem omvat het controleren van het smeermiddelniveau, lekkage en verontreinigingsindicatoren. Onvoldoende smering beïnvloedt de trillingskarakteristieken en kan wijzen op dreigende storingen die onmiddellijke aandacht vereisen, ongeacht de trillingsniveaus.

Inspectie van montagemateriaal identificeert losse bouten, beschadigde componenten en structurele problemen die de trillingsoverdracht of sensormontage kunnen beïnvloeden. Deze problemen moeten mogelijk worden verholpen voordat betrouwbare metingen mogelijk zijn.

Oppervlaktevoorbereiding voor sensormontage omvat het reinigen van meetoppervlakken, het verwijderen van verf of corrosie en het zorgen voor voldoende schroefdraad voor permanente montagebouten. Een goede oppervlaktevoorbereiding heeft direct invloed op de meetkwaliteit en herhaalbaarheid.

Milieurisicobeoordeling identificeert veiligheidsrisico's, waaronder hete oppervlakken, roterende machines, elektrische gevaren en onstabiele constructies. Veiligheidsmaatregelen kunnen speciale procedures of beschermende uitrusting vereisen voor meetpersoneel.

Vaststelling van de componentbedrijfsmodus

Diagnostische metingen vereisen het instellen van consistente bedrijfsomstandigheden die reproduceerbare resultaten en optimale gevoeligheid voor storingen opleveren. De keuze van de bedrijfsmodus is afhankelijk van het componentontwerp, de beschikbare instrumentatie en veiligheidsbeperkingen.

Onbelaste werking levert basismetingen op met minimale externe invloeden van mechanische of elektrische belastingsvariaties. Deze modus brengt fundamentele problemen, zoals onbalans, verkeerde uitlijning en elektromagnetische storingen, het duidelijkst aan het licht.

Belaste werking bij gespecificeerde vermogensniveaus brengt belastingsafhankelijke verschijnselen aan het licht die mogelijk niet optreden tijdens testen zonder belasting. Progressieve belasting helpt bij het identificeren van belastingsgevoelige problemen en legt ernstrelaties vast voor trendanalyse.

Snelheidsregelsystemen handhaven consistente rotatiesnelheden tijdens het meten om frequentiestabiliteit te garanderen en nauwkeurige spectrale analyse mogelijk te maken. Snelheidsvariaties tijdens de meting veroorzaken spectrale smearing die de analyseresolutie en diagnostische nauwkeurigheid vermindert.

Het bereiken van een thermisch evenwicht zorgt ervoor dat de metingen normale bedrijfsomstandigheden weergeven in plaats van tijdelijke opstarteffecten. De meeste roterende machines hebben 15-30 minuten nodig om thermische stabiliteit en representatieve trillingsniveaus te bereiken.

Rotatiesnelheidsmeting en -verificatie

Nauwkeurige rotatiesnelheidsmeting biedt essentiële referentie-informatie voor spectrale analyse en foutfrequentieberekeningen. Fouten bij snelheidsmetingen hebben een directe invloed op de diagnostische nauwkeurigheid en kunnen leiden tot onjuiste foutidentificatie.

Optische tachometers bieden contactloze snelheidsmeting met behulp van reflecterende tape of natuurlijke oppervlaktestructuren. Deze instrumenten bieden hoge nauwkeurigheid en veiligheidsvoordelen, maar vereisen zichtlijn en voldoende oppervlaktecontrast voor een betrouwbare werking.

Magnetische opneemsensoren detecteren de doorgang van ferromagnetische elementen zoals tandwielen of spiebanen van assen. Deze sensoren bieden uitstekende nauwkeurigheid en zijn ongevoelig voor verontreiniging, maar vereisen de installatie van opnemers en targets op roterende componenten.

Stroboscopische snelheidsmeting maakt gebruik van gesynchroniseerde flitslichten om schijnbaar stilstaande beelden van roterende componenten te creëren. Deze techniek biedt visuele verificatie van de rotatiesnelheid en maakt observatie van dynamisch gedrag tijdens bedrijf mogelijk.

Snelheidsverificatie door middel van spectrale analyse omvat het identificeren van prominente spectrale pieken die overeenkomen met bekende rotatiefrequenties en het vergelijken hiervan met directe snelheidsmetingen. Deze aanpak bevestigt de meetnauwkeurigheid en helpt bij het identificeren van snelheidsgerelateerde spectrale componenten.

Verzameling van trillingsgegevens op meerdere punten

Systematische verzameling van trillingsgegevens volgt vooraf vastgestelde routes en meetreeksen om een volledige dekking te garanderen en tegelijkertijd de meetkwaliteit en -efficiëntie te behouden. Procedures voor gegevensverzameling moeten rekening houden met wisselende toegangsomstandigheden en apparatuurconfiguraties.

Herhaalbare sensorplaatsing zorgt voor consistente metingen tussen opeenvolgende dataverzamelingssessies. Permanente montagebouten bieden optimale herhaalbaarheid, maar zijn mogelijk niet voor alle meetlocaties praktisch. Tijdelijke montagemethoden vereisen zorgvuldige documentatie en positioneringshulpmiddelen.

Overwegingen met betrekking tot de timing van de meting zijn onder andere een adequate insteltijd na sensorinstallatie, een voldoende meetduur voor statistische nauwkeurigheid en coördinatie met de operationele schema's van de apparatuur. Overhaaste metingen leveren vaak onbetrouwbare resultaten op, wat de diagnostische interpretatie bemoeilijkt.

De documentatie van de omgevingsomstandigheden omvat de omgevingstemperatuur, luchtvochtigheid en akoestische achtergrondniveaus die de kwaliteit of interpretatie van de meting kunnen beïnvloeden. Extreme omstandigheden kunnen uitstel van de meting of parameteraanpassingen vereisen.

Realtime kwaliteitsbeoordeling omvat het monitoren van signaalkarakteristieken tijdens de data-acquisitie om meetproblemen te identificeren voordat de dataverzameling is voltooid. Moderne analysers bieden spectrale weergaven en signaalstatistieken die directe kwaliteitsevaluatie mogelijk maken.

Akoestische monitoring en temperatuurmeting

Akoestische emissiemonitoring vormt een aanvulling op trillingsanalyse door hoogfrequente spanningsgolven te detecteren die worden gegenereerd door scheurvoortplanting, wrijving en impactverschijnselen. Deze metingen bieden een vroegtijdige waarschuwing voor zich ontwikkelende problemen die mogelijk nog geen meetbare trillingsveranderingen opleveren.

Ultrasone luisterapparatuur maakt hoorbare bewaking van de lagerconditie mogelijk door middel van frequentieverschuivingstechnieken die ultrasone emissies omzetten in hoorbare frequenties. Ervaren technici kunnen karakteristieke geluiden identificeren die verband houden met specifieke soorten storingen.

Temperatuurmetingen leveren essentiële informatie over de thermische conditie van componenten en helpen bij het valideren van trillingsanalyseresultaten. Lagertemperatuurbewaking brengt smeerproblemen en belastingsomstandigheden aan het licht die de trillingskarakteristieken beïnvloeden.

Infraroodthermografie maakt contactloze temperatuurmeting en identificatie van thermische patronen mogelijk die mechanische problemen aangeven. Hotspots kunnen wijzen op wrijving, verkeerde uitlijning of smeringsproblemen die onmiddellijke aandacht vereisen.

Temperatuurtrendanalyse in combinatie met trillingstrendanalyse biedt een uitgebreide beoordeling van de conditie en degradatiesnelheid van componenten. Gelijktijdige temperatuur- en trillingsstijgingen duiden vaak op versnelde slijtageprocessen die onmiddellijke onderhoudsacties vereisen.

Verificatie van gegevenskwaliteit en foutdetectie

Verificatie van de meetkwaliteit omvat een systematische evaluatie van de verkregen gegevens om mogelijke fouten of afwijkingen te identificeren die tot onjuiste diagnostische conclusies kunnen leiden. Kwaliteitscontroleprocedures moeten direct na het verzamelen van de gegevens worden toegepast, zolang de meetomstandigheden nog vers in het geheugen liggen.

Kwaliteitsindicatoren voor spectrale analyse omvatten geschikte ruisvloeren, afwezigheid van duidelijke aliasing-artefacten en een redelijke frequentie-inhoud ten opzichte van bekende excitatiebronnen. Spectrale pieken moeten overeenkomen met de verwachte frequenties op basis van rotatiesnelheden en componentgeometrie.

Inspectie van de tijdgolfvorm onthult signaalkenmerken die mogelijk niet zichtbaar zijn in een frequentiedomeinanalyse. Clipping, DC-offsets en periodieke afwijkingen wijzen op problemen met het meetsysteem die moeten worden gecorrigeerd vóór de data-analyse.

Herhaalbaarheidsverificatie omvat het verzamelen van meerdere metingen onder identieke omstandigheden om de consistentie van de metingen te beoordelen. Overmatige variabiliteit duidt op onstabiele bedrijfsomstandigheden of problemen met het meetsysteem.

Historische vergelijking biedt context voor het evalueren van huidige metingen ten opzichte van eerdere gegevens van dezelfde meetpunten. Plotselinge veranderingen kunnen wijzen op echte apparatuurproblemen of meetfouten die nader onderzoek vereisen.

2.3.1.7. Praktische beoordeling van de lagerconditie met behulp van primaire meetgegevens

Meetfoutanalyse en gegevensvalidatie

Betrouwbare lagerdiagnostiek vereist systematische identificatie en eliminatie van meetfouten die echte foutsignalen kunnen maskeren of valse indicaties kunnen veroorzaken. De foutanalyse begint direct na het verzamelen van de gegevens, terwijl de meetomstandigheden en -procedures helder in het geheugen blijven.

Validatie van spectrale analyse omvat het onderzoeken van de kenmerken van het frequentiedomein op consistentie met bekende excitatiebronnen en de mogelijkheden van het meetsysteem. Echte lagerdefectsignaturen vertonen specifieke frequentierelaties en harmonische patronen die ze onderscheiden van meetartefacten.

Tijddomeinanalyse onthult signaalkenmerken die kunnen wijzen op meetproblemen, zoals clipping, elektrische interferentie en mechanische storingen. Signalen van lagerdefecten vertonen doorgaans impulsieve kenmerken met hoge piekfactoren en periodieke amplitudepatronen.

Historische trendanalyse biedt essentiële context voor het evalueren van actuele metingen ten opzichte van eerdere gegevens van identieke meetlocaties. Geleidelijke veranderingen duiden op daadwerkelijke degradatie van de apparatuur, terwijl plotselinge veranderingen kunnen wijzen op meetfouten of externe invloeden.

Cross-channel verificatie omvat het vergelijken van metingen van meerdere sensoren op hetzelfde onderdeel om de richtingsgevoeligheid te identificeren en de aanwezigheid van fouten te bevestigen. Lagerdefecten beïnvloeden doorgaans meerdere meetrichtingen, terwijl de karakteristieke frequentieverhoudingen behouden blijven.

Bij de beoordeling van omgevingsfactoren wordt rekening gehouden met externe invloeden, zoals temperatuurschommelingen, veranderingen in de belasting en akoestische achtergrond, die de kwaliteit of interpretatie van de meting kunnen beïnvloeden. Correlatie tussen omgevingsomstandigheden en trillingskarakteristieken levert waardevolle diagnostische informatie op.

Rotatiesnelheidsverificatie door middel van spectrale analyse

Nauwkeurige bepaling van het toerental vormt de basis voor alle berekeningen van lagerfoutfrequenties en diagnostische interpretaties. Spectraalanalyse biedt meerdere methoden voor snelheidsverificatie die directe tachometermetingen aanvullen.

Identificatie van de fundamentele frequentie omvat het lokaliseren van spectrale pieken die overeenkomen met de rotatiefrequentie van de as. Deze zouden prominent aanwezig moeten zijn in de meeste spectra van roterende machines vanwege resterende onbalans of een lichte scheefstelling. De fundamentele frequentie vormt de basisreferentie voor alle harmonische en lagerfrequentieberekeningen.

Harmonische patroonanalyse onderzoekt de relatie tussen de grondfrequentie en de bijbehorende harmonischen om de snelheidsnauwkeurigheid te bevestigen en aanvullende mechanische problemen te identificeren. Een zuivere rotatie-onbalans produceert voornamelijk trillingen van de grondfrequentie, terwijl mechanische problemen hogere harmonischen genereren.

Identificatie van elektromagnetische frequenties in motortoepassingen onthult lijnfrequentiecomponenten en sleufpassagefrequenties die onafhankelijke snelheidsverificatie mogelijk maken. Deze frequenties behouden vaste relaties met de netfrequentie en motorontwerpparameters.

Identificatie van de tandwielinteractiefrequentie in tandwielsystemen biedt een zeer nauwkeurige snelheidsbepaling door de relatie tussen de interactiefrequentie en het toerental. Tandwielinteractiefrequenties produceren doorgaans prominente spectrale pieken met uitstekende signaal-ruisverhoudingen.

De snelheidsvariatiebeoordeling onderzoekt de spectrale piekscherpte en zijbandstructuur om de snelheidsstabiliteit tijdens de meting te evalueren. Snelheidsinstabiliteit veroorzaakt spectrale smearing en zijbandgeneratie, wat de analysenauwkeurigheid vermindert en defectsignaturen van lagers kan maskeren.

Berekening en identificatie van de frequentie van lagerdefecten

Berekeningen van de frequentie van lagerdefecten vereisen nauwkeurige lagergeometriegegevens en nauwkeurige informatie over de rotatiesnelheid. Deze berekeningen leveren theoretische frequenties op die dienen als sjablonen voor het identificeren van daadwerkelijke lagerdefectsignaturen in gemeten spectra.

De kogeldoorlaatfrequentie (BPFO) geeft de frequentie weer waarmee rolelementen defecten in de buitenring tegenkomen. Deze frequentie varieert doorgaans van 0,4 tot 0,6 keer de rotatiefrequentie, afhankelijk van de lagergeometrie en de contacthoekkarakteristieken.

De Ball Pass Frequency Inner Race (BPFI) geeft de mate aan waarin het rolelement in contact komt met defecten in de binnenring. De BPFI overschrijdt de BPFO doorgaans met 20-40% en kan amplitudemodulatie vertonen bij rotatiefrequentie als gevolg van belastingszone-effecten.

De fundamentele frequentie (FTF) vertegenwoordigt de rotatiefrequentie van de kooi en is doorgaans gelijk aan 0,35-0,45 keer de rotatiefrequentie van de as. Kooidefecten of smeringsproblemen kunnen trillingen veroorzaken bij de FTF en de bijbehorende harmonischen.

De kogeldraaifrequentie (BSF) geeft de rotatiefrequentie van individuele rolelementen aan en verschijnt zelden in trillingsspectra, tenzij rolelementen specifieke defecten of maatafwijkingen vertonen. De identificatie van BSF's vereist een zorgvuldige analyse vanwege de doorgaans lage amplitude.

Overwegingen met betrekking tot frequentietolerantie houden rekening met productievariaties, belastingseffecten en meetonzekerheden die ertoe kunnen leiden dat de werkelijke defectfrequenties afwijken van de theoretische berekeningen. Zoekbandbreedtes van ±5% rond de berekende frequenties compenseren deze variaties.

Spectrale patroonherkenning en foutidentificatie

Het identificeren van lagerfouten vereist systematische patroonherkenningstechnieken die echte lagerdefecten onderscheiden van andere trillingsbronnen. Elk type fout produceert karakteristieke spectrale patronen die een specifieke diagnose mogelijk maken wanneer ze correct worden geïnterpreteerd.

Defecten in de buitenring verschijnen doorgaans als discrete spectrale pieken bij BPFO en de bijbehorende harmonischen, zonder significante amplitudemodulatie. De afwezigheid van rotatiefrequentiezijbanden onderscheidt defecten in de buitenring van problemen in de binnenring.

De defectsignaturen van de binnenring vertonen een BPFI-grondfrequentie met zijbanden die op rotatiefrequentie-intervallen van elkaar verwijderd zijn. Deze amplitudemodulatie is het gevolg van belastingszone-effecten wanneer het defecte gebied roteert onder wisselende belastingsomstandigheden.

Defecten in rollende elementen kunnen optreden bij de BSF of modulatie van andere lagerfrequenties veroorzaken. Deze defecten produceren vaak complexe spectrale patronen die zorgvuldige analyse vereisen om ze van racedefecten te onderscheiden.

Kooidefecten manifesteren zich doorgaans bij de FTF en de bijbehorende harmonischen, vaak vergezeld van verhoogde achtergrondruisniveaus en onstabiele amplitudekarakteristieken. Kooiproblemen kunnen ook andere lagerfrequenties moduleren.

Implementatie en interpretatie van envelopanalyse

Envelope-analyse extraheert amplitudemodulatie-informatie uit hoogfrequente trillingen om laagfrequente lagerdefectpatronen te onthullen. Deze techniek blijkt bijzonder effectief voor het detecteren van lagerdefecten in een vroeg stadium die mogelijk geen meetbare laagfrequente trillingen veroorzaken.

De selectie van frequentiebanden voor envelopanalyse vereist de identificatie van structurele resonanties of eigenfrequenties van lagers die worden geactiveerd door impactkrachten van het lager. Optimale frequentiebanden liggen doorgaans tussen 1000 en 8000 Hz, afhankelijk van de lagergrootte en montagekenmerken.

Filterontwerpparameters hebben een aanzienlijke invloed op de resultaten van de envelopanalyse. Banddoorlaatfilters moeten voldoende bandbreedte bieden om resonantiekarakteristieken vast te leggen en tegelijkertijd aangrenzende resonanties uit te sluiten die de resultaten kunnen beïnvloeden. Roll-off-karakteristieken van filters beïnvloeden de transiëntrespons en de gevoeligheid voor impactdetectie.

Interpretatie van het enveloppespectrum volgt vergelijkbare principes als conventionele spectrale analyse, maar richt zich op modulatiefrequenties in plaats van draaggolffrequenties. De frequenties van lagerdefecten verschijnen als discrete pieken in enveloppespectra, waarvan de amplitudes de ernst van het defect aangeven.

De kwaliteitsbeoordeling van de envelopanalyse omvat het evalueren van de filterselectie, frequentiebandkarakteristieken en signaal-ruisverhoudingen om betrouwbare resultaten te garanderen. Slechte resultaten van de envelopanalyse kunnen wijzen op een onjuiste filterselectie of onvoldoende structurele resonantie-excitatie.

Amplitudebeoordeling en ernstclassificatie

Het beoordelen van de ernst van lagerdefecten vereist een systematische evaluatie van trillingsamplitudes ten opzichte van vastgestelde criteria en historische trends. Classificatie van de ernst maakt onderhoudsplanning en risicobeoordeling voor continue werking mogelijk.

Absolute amplitudecriteria bieden algemene richtlijnen voor de beoordeling van de lagerconditie op basis van industriële ervaring en normen. Deze criteria stellen doorgaans waarschuwings- en alarmniveaus vast voor algemene trillingen en specifieke frequentiebanden.

Trendanalyse evalueert amplitudeveranderingen in de loop van de tijd om degradatiesnelheden te beoordelen en de resterende levensduur te voorspellen. Exponentiële amplitudegroei duidt vaak op versnellende schade die onmiddellijke onderhoudsacties vereist.

Vergelijkende analyse evalueert de lagerconditie ten opzichte van vergelijkbare lagers in identieke toepassingen om rekening te houden met specifieke bedrijfsomstandigheden en installatiekenmerken. Deze aanpak biedt een nauwkeurigere beoordeling van de ernst dan alleen absolute criteria.

Integratie van meerdere parameters combineert informatie van algemene trillingsniveaus, specifieke defectfrequenties, resultaten van envelopanalyses en temperatuurmetingen om een uitgebreide lagerbeoordeling te bieden. Analyse met één parameter kan onvolledige of misleidende informatie opleveren.

Belastingzone-effecten en modulatiepatroonanalyse

De lagerbelastingverdeling heeft een aanzienlijke invloed op de trillingssignaturen en de diagnostische interpretatie. Belastingzone-effecten creëren amplitudemodulatiepatronen die aanvullende informatie verschaffen over de lagerconditie en belastingskarakteristieken.

Modulatie van defecten in de binnenring treedt op wanneer defecte gebieden tijdens elke omwenteling door verschillende belastingszones roteren. Maximale modulatie treedt op wanneer defecten zich in lijn bevinden met de maximale belastingsposities, terwijl minimale modulatie overeenkomt met onbelaste posities.

Identificatie van belastingzones door middel van modulatieanalyse onthult lagerbelastingpatronen en kan wijzen op verkeerde uitlijning, funderingsproblemen of een abnormale belastingverdeling. Asymmetrische modulatiepatronen duiden op niet-uniforme belastingomstandigheden.

Zijbandanalyse onderzoekt frequentiecomponenten rondom lagerdefectfrequenties om de modulatiediepte te kwantificeren en modulatiebronnen te identificeren. Rotatiefrequentiezijbanden geven belastingzone-effecten aan, terwijl andere zijbandfrequenties aanvullende problemen kunnen onthullen.

Faseanalyse van modulatiepatronen geeft informatie over de locatie van het defect ten opzichte van de belastingzones en kan helpen bij het voorspellen van schadeprogressiepatronen. Geavanceerde analysetechnieken kunnen de resterende levensduur van lagers schatten op basis van modulatiekarakteristieken.

Integratie met complementaire diagnostische technieken

Uitgebreide lagerbeoordeling integreert trillingsanalyse met aanvullende diagnostische technieken om de nauwkeurigheid te verbeteren en het aantal valse alarmen te verminderen. Meerdere diagnostische benaderingen bevestigen de probleemidentificatie en verbeteren de ernstbeoordeling.

Olieanalyse onthult lagerslijtagedeeltjes, verontreinigingsniveaus en smeermiddeldegradatie die correleren met de resultaten van de trillingsanalyse. Toenemende concentraties slijtagedeeltjes gaan vaak enkele weken vooraf aan detecteerbare trillingsveranderingen.

Temperatuurbewaking biedt realtime inzicht in de thermische conditie en wrijvingsniveaus van het lager. Temperatuurstijgingen gaan vaak gepaard met verhoogde trillingen tijdens lagerdegradatieprocessen.

Akoestische emissiemonitoring detecteert hoogfrequente spanningsgolven afkomstig van scheurvoortplanting en oppervlaktecontactverschijnselen die vooraf kunnen gaan aan conventionele trillingskenmerken. Deze techniek biedt de mogelijkheid om zo vroeg mogelijk fouten te detecteren.

Prestatiemonitoring evalueert de effecten van lagers op de werking van het systeem, waaronder efficiëntieveranderingen, variaties in de belastingverdeling en operationele stabiliteit. Prestatieverslechtering kan wijzen op lagerproblemen die nader onderzoek vereisen, zelfs wanneer de trillingsniveaus acceptabel blijven.

Documentatie- en rapportagevereisten

Voor een effectieve lagerdiagnose is uitgebreide documentatie van meetprocedures, analyseresultaten en onderhoudsaanbevelingen nodig ter ondersteuning van de besluitvorming en om historische gegevens te leveren voor trendanalyse.

Meetdocumentatie omvat de configuratie van de apparatuur, omgevingsomstandigheden, bedrijfsparameters en resultaten van kwaliteitsbeoordeling. Deze informatie maakt herhaalbaarheid van metingen in de toekomst mogelijk en biedt context voor de interpretatie van de resultaten.

Analysedocumentatie registreert berekeningsprocedures, frequentie-identificatiemethoden en diagnostische redeneringen ter ondersteuning van conclusies en ter ondersteuning van peer review. Gedetailleerde documentatie vergemakkelijkt kennisoverdracht en trainingsactiviteiten.

De aanbevelingsdocumentatie biedt duidelijke onderhoudsrichtlijnen, inclusief urgentieclassificatie, voorgestelde reparatieprocedures en monitoringvereisten. Aanbevelingen dienen voldoende technische onderbouwing te bevatten ter ondersteuning van beslissingen over de onderhoudsplanning.

Historisch databasebeheer zorgt ervoor dat meet- en analyseresultaten toegankelijk blijven voor trendanalyses en vergelijkende studies. Een goede databaseorganisatie vergemakkelijkt vlootbrede analyse en identificatie van veelvoorkomende problemen bij vergelijkbare apparatuur.

Conclusie

Trillingsdiagnostiek van componenten van locomotieven is een geavanceerde technische discipline die fundamentele mechanische principes combineert met geavanceerde meet- en analysetechnologieën. Deze uitgebreide gids behandelt de essentiële elementen die nodig zijn voor een effectieve implementatie van trillingsgebaseerde conditiebewaking bij onderhoud aan locomotieven.

De basis voor succesvolle trillingsdiagnostiek berust op een grondig begrip van oscillerende verschijnselen in roterende machines en de specifieke kenmerken van wielstel-motorblokken (WMB), wielstel-gearblokken (WGB) en hulpmachines (AM). Elk componenttype heeft een uniek trillingspatroon dat gespecialiseerde analysemethoden en interpretatietechnieken vereist.

Moderne diagnosesystemen bieden krachtige mogelijkheden voor vroege foutdetectie en beoordeling van de ernst, maar hun effectiviteit hangt in belangrijke mate af van een correcte implementatie, kwaliteitscontrole van de metingen en deskundige interpretatie van de resultaten. De integratie van meerdere diagnosetechnieken verhoogt de betrouwbaarheid en vermindert het aantal valse alarmen, terwijl tegelijkertijd een uitgebreide beoordeling van de componentconditie mogelijk is.

Voortdurende vooruitgang in sensortechnologie, analysealgoritmen en data-integratiemogelijkheden belooft verdere verbeteringen in diagnostische nauwkeurigheid en operationele efficiëntie. Spoorwegonderhoudsorganisaties die investeren in uitgebreide mogelijkheden voor trillingsdiagnostiek zullen aanzienlijke voordelen behalen door minder ongeplande storingen, geoptimaliseerde onderhoudsplanning en verbeterde operationele veiligheid.

De succesvolle implementatie van trillingsdiagnostiek vereist voortdurende inzet op training, technologische vooruitgang en kwaliteitsborgingsprocedures. Naarmate spoorwegsystemen steeds hogere snelheden en strengere betrouwbaarheidseisen nastreven, zal trillingsdiagnostiek een steeds belangrijkere rol spelen bij het handhaven van een veilige en efficiënte locomotiefexploitatie.