Axiale trillingen in roterende machines begrijpen
Axiale trilling (ook wel longitudinale of stuwtrillingen genoemd) is de heen-en-weerbeweging van een rotor in de richting evenwijdig aan zijn draaias. Waarbij laterale trilling terwijl zijdelingse trillingen loodrecht op de as staan, zijn axiale trillingen bewegingen waarbij de as in de lengterichting heen en weer beweegt, net als een zuiger. De amplitude hiervan is doorgaans kleiner dan radiale trilling, maar het is zeer kenmerkend voor een specifieke categorie storingen — vooral verkeerde uitlijning, druklager problemen en procesgerelateerde kwesties bij pompen en compressoren. Een ervaren analist beschouwt dit als een onmisbaar, en niet als een optioneel, onderdeel van een complete meetopstelling.
1. Kenmerken en meting
Richting en beweging
Axiale trillingen doen zich voor langs de hartlijn van de as:
- De beweging verloopt evenwijdig aan de draaias.
- De rotor beweegt heen en weer in een op-en-neergaande beweging.
- Dit wordt doorgaans gemeten bij lagerhuizen of asuiteinden.
- De amplitude ervan is doorgaans kleiner dan die van radiale trillingen, maar is, indien aanwezig, diagnostisch gezien veel veelzeggender.
Opstelling voor metingen
Om axiale bewegingen te registreren, is een zorgvuldige plaatsing van de sensoren vereist:
- Richting van de sensor: an versnellingsmeter of snelheidstransducer parallel aan de as gemonteerd.
- Veelvoorkomende locaties: eindkappen van lagerhuizen, eindkappen van motoren of druklagerhuizen.
- Nabijheidssondes: A nabijheidssonde die naar het uiteinde van de as is gericht, kan de axiale positie rechtstreeks meten.
- Belang: Vaak over het hoofd gezien, maar cruciaal voor een volledige diagnose van machines
2. Belangrijkste oorzaken van axiale trillingen
Verkeerde uitlijning — de meest voorkomende oorzaak
Asuitlijningsfout, en met name hoekafwijkingen, vormen de belangrijkste oorzaak van axiale trillingen:
- Symptoom: hoge axiale trillingen (1× of 2×) bij bedrijfssnelheid.
- Mechanisme: Een hoekverschuiving tussen gekoppelde assen zorgt ervoor dat bij elke omwenteling een oscillerende axiale kracht via de koppeling wordt overgebracht.
- Diagnostische indicator: Een axiale amplitude van meer dan 50% van de radiale amplitude wijst sterk op een verkeerde uitlijning.
- Faseverhouding: de axiale afmetingen aan de aandrijf- en niet-aandrijfzijde liggen doorgaans ongeveer 180° uit fase.
Defecten aan druklagers
Problemen met de druklager die de axiale positie van de as vastlegt, veroorzaakt kenmerkende axiale trillingen:
- Slijtage of beschadiging van het druklager.
- Onvoldoende druklager voorbelasting.
- Defect aan het druklager, waardoor er te veel axiale speling ontstaat.
- Smeerproblemen die specifiek zijn voor de drukvlakken.
Hydraulische of aerodynamische krachten
De proceskrachten in pompen, compressoren en turbines veroorzaken axiale belastingen:
- Pomp cavitatie: Instortende dampbellen veroorzaken axiale stootkrachten.
- Onbalans van de waaier: Een asymmetrische stroming veroorzaakt een oscillerende axiale stuwkracht.
- Turbulentie bij axiale stroming: in axiale compressoren en turbines.
- Opkomend: Een compressor-surge veroorzaakt hevige axiale trillingen.
- Recirculatie: bedrijfsomstandigheden buiten het ontwerpbereik die stromingsinstabiliteiten veroorzaken.
Mechanische losheid
Door te grote speling kan de rotor in de lengterichting heen en weer bewegen:
- Versleten druklageroppervlakken.
- Componenten met losse koppeling.
- Onvoldoende axiale bevestiging in de lageropstelling.
- Versleten afstandhouders of vulplaatjes.
Koppelingsproblemen
Slijtage aan de koppeling of een onjuiste montage veroorzaakt axiale trillingen:
- Versleten tanden van de tandwielkoppeling, waardoor axiale speling ontstaat.
- Onjuist geïnstalleerde slang koppelingen.
- Fouten in de lengte van koppelingsafstandhouders.
- Hoeken van kruiskoppelingen die axiale krachtcomponenten veroorzaken.
Problemen met thermische uitzetting
Verschillen in thermische uitzetting kunnen axiale krachten veroorzaken:
- Thermische uitzetting van leidingen die druk of trekkracht uitoefent op de apparatuur.
- Ongelijkmatige thermische groei tussen gekoppelde machines.
- Zetting van de fundering die de axiale uitlijning verstoort.
3. Diagnostische betekenis
Diagnose van scheefstand
Axiale trillingen zijn de beste indicator voor een verkeerde uitlijning:
- Vuistregel: Als de axiale trilling meer dan 50% van de radiale trilling bedraagt, moet u rekening houden met een verkeerde uitlijning.
- Frequentiespectrum: voornamelijk 2× bij parallelle-verschuivingsafwijkingen; zowel 1× als 2× bij hoekafwijkingen.
- Faseanalyse: Een faseverschil van 180° tussen de axiale meetwaarden aan de tegenoverliggende uiteinden wijst op een verkeerde uitlijning.
- Bevestiging: sterke axiale trillingen die na het precisiewerk sterk afnemen asuitlijning bevestigt de diagnose.
Diagnose van pompen en compressoren
Voor roterende apparatuur voor vloeistofverwerking:
- Cavitatie: hoogfrequente, willekeurige, breedbandige axiale trillingen.
- Hydraulische onbalans: 1× axiale trilling als gevolg van asymmetrische belasting van de waaier.
- Golf: axiale trilling met grote amplitude en lage frequentie.
- Frequentie van de mesbeweging: een axiale component bij de frequentie waarbij de schoepen elkaar passeren, duidt op stromingsproblemen.
Beoordeling van de lagerconditie
- Een plotselinge toename van de axiale trillingen kan wijzen op slijtage van het druklager.
- Axiale trillingen bij de defectfrequenties van het druklager wijzen op een lagerprobleem.
- Overmatige axiale speling gemeten met nabijheidssondes duidt op lagerslijtage
4. Aanvaardbare niveaus en normen
Algemene richtlijnen
De algemene normen voor machinevibraties — de moderne ISO 20816 de reeks, die ISO 10816 heeft vervangen, richt zich voornamelijk op radiale trillingen, zodat axiale grenswaarden doorgaans ten opzichte daarvan worden vastgesteld:
- Ten opzichte van radiaal: Onder normale omstandigheden moet de axiale trilling minder dan 50% van de radiale trilling bedragen.
- Absolute limieten: doorgaans 25–50% van de radiale limiet voor de klasse van de machine.
- Vergelijking van de uitgangswaarden: een stijging van 50 tot 100% ten opzichte van basislijn verdient nader onderzoek, ongeacht de absolute waarde.
Apparatuurspecifieke normen
- API 610 (centrifugaalpompen): bepaalt zowel de grenswaarden voor radiale als voor axiale trillingen.
- API 617 (centrifugaalcompressoren): omvat acceptatiecriteria voor axiale trillingen.
- Turbomachines: vaak continu gemeten met speciale sensoren voor de axiale positie en axiale trillingen, vaak om API 670 praktijk op het gebied van machinebeveiliging.
5. Correctie- en beperkingsmaatregelen
Bij verkeerde uitlijning
- Nauwkeurige asuitlijning: gebruik laseruitlijningsapparatuur om hoek- en parallelle afwijkingen te corrigeren.
- Correctie van platvoeten: zorg ervoor dat alle bevestigingsvoeten vlak op de ondergrond staan voordat u ze uitlijnt — zie zachte voet.
- Correctiefactor voor thermische uitzetting: Houd bij het vaststellen van uitlijningsdoelen bij lage temperaturen rekening met uitzetting als gevolg van de bedrijfstemperatuur.
- Leidingtrekontlasting: voorkom krachten in de leidingen die ervoor zorgen dat apparatuur uit de uitlijning raakt.
Bij problemen met de druklagers
- Vervang versleten onderdelen van het druklager.
- Controleer of de voorspanning en speling van de druklagers correct zijn.
- Zorg voor voldoende smering van de drukvlakken.
- Controleer of de installatie correct is uitgevoerd en of er voldoende opvulmateriaal is aangebracht.
Voor procesgerelateerde axiale krachten
- Cavitatie voorkomen: de inlaatdruk verhogen, de vloeistoftemperatuur verlagen, verstoppingen in de inlaat verhelpen.
- Het werkpunt optimaliseren: zorg ervoor dat pompen en compressoren binnen hun ontwerpbereik blijven.
- Hydraulische krachten in evenwicht brengen: gebruik balansgaten of achterste schoepen op de waaiers.
- Beveiliging tegen stroompieken: zorg voor een doeltreffende beveiliging tegen stroompieken op compressoren.
Bij mechanische problemen
- Vervang versleten koppelingen en koppelingsonderdelen.
- Draai loszittende mechanische verbindingen vast.
- Controleer of de afmetingen van de afstandhouders en vulplaatjes correct zijn.
- Installeer koppelingen volgens de specificaties van de fabrikant.
6. Aanbevolen werkwijzen voor metingen
Sensorinstallatie
- Stevige bevestiging: Geef bij axiale metingen waar mogelijk de voorkeur aan bouten of lijm boven magneten — zie sensormontage.
- Controleer de stand: Zorg ervoor dat de sensor echt evenwijdig aan de as van de schacht staat en niet schuin staat.
- Both ends: Meet de axiale trillingen aan zowel de aandrijfzijde als de niet-aandrijfzijde, zodat de fasen met elkaar kunnen worden vergeleken.
- Nabijheidssondes: Installeer voor kritieke apparatuur permanente sensoren voor de axiale positie.
Gegevensverzameling
- Verzamel altijd axiale gegevens naast horizontale en verticale radiale metingen.
- Noteer de faseverhouding tussen de axiale meetwaarden op verschillende locaties.
- Vergelijk de verhoudingen tussen de axiale en radiale amplitudes.
- Trend axiale trillingen in de loop van de tijd, om ontluikende problemen vroegtijdig op te sporen.
7. Axiale versus radiale trillingen
Het onderscheid tussen deze twee richtingen is cruciaal voor het opsporen van fouten:
| Aspect | Radiale (zijdelingse) trillingen | Axiale trilling |
|---|---|---|
| Richting | Loodrecht op de schachtas | Evenwijdig aan de schachtas |
| Typische amplitude | Hoger | Lager (meestal < 50% van de radiale omtrek) |
| Primary causes | Onbalans, gebogen as, lagerdefecten | Verkeerde uitlijning, problemen met druklagers, proceskrachten |
| Diagnostische waarde | Algemene staat van de machines | Specifiek voor problemen met verkeerde uitlijning en druklager |
| Prioriteit bij de monitoring | Primaire focus | Secundair maar cruciaal voor de diagnose |
8. Praktische diagnose in het veld
In de praktijk is de doorslaggevende test voor axiale trillingen een vergelijkende test: meet de amplitude en fase in axiale richting aan beide lagereinden en vergelijk deze met de radiale meetwaarden. Een draagbaar tweekanaals trillingsanalysator such as the Balans-1a is hiervoor zeer geschikt, omdat de twee kanalen beide uiteinden tegelijk kunnen vastleggen via een gedeelde toerenteller faseverwijzing — wat de kenmerkende axiale faseverschuiving van 180° bij een verkeerde uitlijning veroorzaakt, en de 1×/2× harmonische pattern in the FFT spectrum, direct zichtbaar. Diezelfde vergelijking voorkomt een kostbare fout: sterke radiale 1×-trillingen worden vaak ten onrechte toegeschreven aan onevenwicht, maar een sterke bijbehorende axiale component wijst juist op een verkeerde uitlijning, die door geen enkele hoeveelheid balanceren zal het probleem verhelpen. Door de richting van de dominante beweging vast te stellen voordat je de proefgewichten pakt, maak je het verschil tussen een blijvende reparatie en een verspilde middag.
9. Toepassingen in de industrie
Het monitoren van axiale trillingen is met name nuttig voor:
- Centrifugaalpompen: detectie van hydraulische krachten en cavitatie.
- Compressoren: bewaking van druklagers en detectie van pulsaties.
- Turbines: de axiale krachten op de schoepen en de toestand van het druklager.
- Gekoppelde apparatuur: controle van de uitlijning en de koppelingsconditie.
- Procesapparatuur: bewaking van de stromingsomstandigheden.
Hoewel axiale trillingen vaak overschaduwd worden door het meer opvallende radiale signaal, hechten ervaren analisten veel waarde aan de diagnostische waarde ervan. Een groot aantal defecten die bij uitsluitend radiale metingen over het hoofd zouden worden gezien, worden door het axiale patroon aan het licht gebracht — en dat is precies de reden waarom een grondige conditiebewaking Het programma meet altijd in alle drie de richtingen.
