Cepstrumanalyse in trillingsdiagnostiek

Definitie: Wat is een cepstrum?

Cepstrum-analyse is een geavanceerde signaalverwerkingstechniek die informatie verschaft over periodieke structuren binnen een frequentiespectrum. De naam "cepstrum" is een anagram van "spectrum", wat de aard ervan al aangeeft: het is in feite het "spectrum van een spectrum". Het wordt berekend door de logaritme van een frequentiespectrum te nemen en vervolgens een inverse Fouriertransformatie op het resultaat uit te voeren. Dit proces brengt periodieke patronen in het spectrum aan het licht, zoals families van harmonischen of zijbanden, die moeilijk te onderscheiden zijn door direct naar het spectrum te kijken.

In het cepstrumdiagram wordt de x-as genoemd quefrency (een anagram van frequentie) en heeft tijdseenheden. Pieken op deze as, genaamd rahmoniek, geven de periode (in seconden) aan van de herhalende patronen in het oorspronkelijke spectrum.

Waarom cepstrumanalyse gebruiken?

Hoewel een standaard FFT-spectrum uitstekend is voor het identificeren van individuele frequentiecomponenten, kan het rommelig en moeilijk te interpreteren worden wanneer een machinestoring een groot aantal harmonischen en zijbanden genereert. Cepstrumanalyse vereenvoudigt dit door een hele familie van zich herhalende frequenties te consolideren tot één heldere piek. De belangrijkste toepassingen zijn:

• Harmonische families detecteren: Het kan eenvoudig een grondfrequentie en de bijbehorende harmonischen identificeren, zelfs als de grondfrequentie zelf zwak is of ontbreekt in het spectrum.
• Identificatie van zijbandfamilies: Het blinkt uit in het vinden van zijbanden, die vaak een lage amplitude hebben en verborgen zitten in ruis. Cepstrum kan de aanwezigheid van zijbanden duidelijk aantonen en hun afstand meten.
• Bron- en padeffecten scheiden: In sommige toepassingen kan het helpen om het trillingsbronsignaal te scheiden van de structurele respons van de machine.
• Echodetectie: Het kan echo's of reflecties in een signaal identificeren.

Belangrijkste toepassingen in machinediagnostiek

1. Versnellingsbakdiagnose

Dit is de meest voorkomende en krachtige toepassing van cepstrumanalyse. Een beschadigde tandwieltand moduleert de tandwielinteractiefrequentie (GMF), waardoor zijbanden rond de GMF-piek ontstaan, met een onderlinge afstand van de rotatiesnelheid van dat tandwiel. In een complexe tandwielkast met meerdere assen en tandwielen kan het spectrum een verwarrende mix zijn van verschillende GMF's en zijbanden. Het cepstrum doorbreekt deze complexiteit:

• Een piek in het cepstrum bij de frequentie die overeenkomt met de rotatieperiode van het tandwiel (1 / RPM) is een duidelijke indicator van een storing in dat specifieke tandwiel.
• De amplitude van de cepstrumpiek kan worden gemeten om de voortgang van de slijtage van het tandwiel te bewaken.

2. Analyse van wentellagers

Net als bij tandwielkasten genereren lagerdefecten ook zijbanden. Een defect op de binnenring bijvoorbeeld, veroorzaakt zijbanden die zich op de assnelheid rond de defectfrequentie van de binnenring (BPFI) en de bijbehorende harmonischen bevinden. Het cepstrum kan helpen bij het bevestigen van de aanwezigheid van deze patronen, vooral wanneer ze niet duidelijk zichtbaar zijn in het spectrum.

3. Turbomachine-analyse

In turbines en compressoren kan cepstrum worden gebruikt om de harmonischen van de bladdoorlaatfrequentie te identificeren en problemen met schade aan de bladen of aerodynamische problemen te diagnosticeren.

Hoe een cepstrumplot te interpreteren

1. Rotatieperiodes berekenen: Voordat u naar het cepstrum kijkt, berekent u de tijdsperioden van de belangrijkste roterende onderdelen (bijvoorbeeld: voor een as met 1800 RPM of 30 Hz is de periode 1/30 = 0,033 seconde).
2. Zoek naar pieken in bekende periodes: Onderzoek het cepstrum op significante pieken (rahmonieken) die overeenkomen met deze berekende tijdsperioden.
3. Harmonischen identificeren: Zoek naar pieken in gehele veelvouden van de fundamentele frequentie. Deze duiden op de aanwezigheid van sterke harmonische families in het oorspronkelijke spectrum.
4. Trendamplitudes: Volg de amplitude van de cepstrumpieken in de loop van de tijd. Een toenemende amplitude duidt op een verslechterende toestand.

Cepstrumanalyse is een krachtig hulpmiddel dat ervaring vereist om effectief te kunnen gebruiken. Bij complexe machines zoals versnellingsbakken kan het echter diagnostische helderheid bieden die niet kan worden bereikt met alleen spectrumanalyse.

← Terug naar hoofdindex