Inzicht in orderanalyse voor machines met variabele snelheid
Orderanalyse is een gespecialiseerde trillingsanalyse een techniek die is ontwikkeld voor machines die niet op één vast toerental draaien. In plaats van de amplitude uit te zetten tegen een vaste frequentieas in Hz of CPM, wordt de amplitude uitgezet tegen orden — veelvouden van de momentane van de as bedrijfssnelheid. De eerste orde is de trilling bij precies 1× (de bedrijfssnelheid), de tweede orde is 2× die snelheid, enzovoort. Door de analyse te koppelen aan de as zelf in plaats van aan de klok, zorgt ordeanalyse ervoor dat snelheidsgerelateerde componenten scherp blijven, ongeacht hoe de machine versnelt of uitloopt.
1. Definitie: Wat is een orde?
Een orde is een harmonische van de fundamentele rotatiesnelheid. Aangezien zoveel machinefouten trillingen veroorzaken bij gehele veelvouden van de as-snelheid, kan het spectrum in ordes worden weergegeven, waardoor elke piek direct aan een fysieke oorzaak kan worden gekoppeld. De 1e orde draagt bijna altijd onbalans; de tweede orde is een klassieke indicator van verkeerde uitlijning en bepaalde spelingcondities; hogere gehele ordes hebben betrekking op tandwielingrijping, vane or blade-pass gebeurtenissen die samenhangen met het aantal elementen op de rotor. Niet-gehele (fractionele) ordes duiden op subsynchroon verschijnselen zoals oliewervelingen of defecten aan de riem. Kortom, de orde-as is een diagnostische kaart die met de rotor meebeweegt.
2. Waarom standaard-FFT niet werkt bij machines met variabele snelheid
Een conventionele Snelle Fouriertransformatie (FFT) meet trillingssignalen over een vast venster van tijd en gaat ervan uit dat de snelheid binnen dat venster constant is. Op een machine met constante snelheid is dit perfect. Maar als de as versnelt of vertraagt terwijl gegevens worden verzameld, drijft elk snelheidsgerelateerd onderdeel tijdens de opname over het spectrum. De energie ervan wordt verspreid over vele aangrenzende frequentiebins, wat een brede, lage, vage bult oplevert in plaats van een zuivere lijn. Een 1× onbalanspiek die boven het spectrum zou moeten uittorenen, kan afvlakken tot ruis — onmogelijk om nauwkeurig af te lezen en nutteloos voor trending. Dit smeerproces is hetzelfde mechanisme dat ten grondslag ligt aan spectrale lekkage, versterkt door veranderingen in het toerental. De orderanalyse is speciaal ontwikkeld om dit te ondervangen.
3. De oplossing: ordervolgtracking
De techniek die dit mogelijk maakt is ordertracering, en het hangt af van een tweede invoer: een toerenteller (of “tacho”) die per omwenteling een puls afgeeft vanaf de as. De analysator gebruikt deze pulstrein — en niet zijn interne kristalklok — als tijdbasis. In plaats van metingen te verrichten met vaste tijdsintervallen (bijvoorbeeld elke milliseconde), voert hij metingen uit met vaste angular intervallen (bijvoorbeeld bij elke graad draaiing). Dit staat bekend als herbemonstering in het hoekdomein.
Er zijn twee veelgebruikte methoden. Hardware (synchrone) bemonstering stuurt de analoog-digitaalomzetter rechtstreeks aan met een fasevergrendeld veelvoud van de tachopuls, zodat elke omwenteling altijd hetzelfde aantal meetwaarden oplevert. Berekende (software) ordertracking met een vast hoog aantal samples, en interpoleert de opname vervolgens digitaal naar stappen met gelijke hoekafstanden aan de hand van de geregistreerde tachometer-timing. Hoe dan ook, de resulterende transformatie wordt uitgedrukt in ordes, niet in Hz. Als de machine van snelheid verandert, blijft de 1×-lijn in de eerste-orde-bin staan als een hoge, smalle piek — de vervaging verdwijnt. De tachometer levert ook een fase referentie, waarmee de analysator Bode en Nyquist grafieken tijdens een aanloop.
Kernpunt: bij een orderanalyse wordt de gegevensverzameling gekoppeld aan de as hoek instead of tijd, zodat de met het toerental gesynchroniseerde trilling bij elk toerental scherp blijft.
4. Belangrijkste toepassingen
Ordeanalyse is onmisbaar wanneer de snelheid niet constant is:
- Voertuig- en motortesten: het identificeren van trillingen in de motor, de transmissie en de aandrijflijn over het gehele toerentalbereik.
- Wind turbines: De rotorsnelheid volgt de wind continu, dus een weergave met een vaste frequentie heeft geen zin — ordeanalyse is essentieel.
- Analyse van de aanloop- en uitloopfase: Het registreren van trillingen wanneer een machine start of stopt, is een effectieve manier om de oorzaak te achterhalen kritische snelheden en resonanties; met ordervolgtracking blijft het resultaat coast-down overzichtelijke en goed leesbare grafieken.
- Zuigermachines: compressoren en motoren waarvan het toerental tijdens elke cyclus schommelt.
- Zware en mobiele machines: grondverzetmachines, mijnbouwvoertuigen en andere aandrijvingen met variabele snelheid.
5. Hoe gegevens uit de ordeanalyse worden weergegeven
De resultaten worden in verschillende, elkaar aanvullende formaten weergegeven:
- Ordespectrum: amplitude versus orden — net als bij een standaard FFT, maar met de orden op de x-as.
- Waterfall of cascade plot: een gestapelde 3D-reeks van ordespectra die laat zien hoe de amplitude van elke orde evolueert naarmate de snelheid verandert.
- Bode-plot: de amplitude en fase van één gevolgde orde (meestal 1× of 2×) uitgezet tegen het toerental van de machine, de basis van op- en aflooptests.
- Campbell-diagram: ordelijnen die over de eigenfrequenties van het systeem heen zijn gelegd, zodat een resonantie zichtbaar wordt overal waar een ordelijn een eigenfrequentielijn kruist.
A volgfilter kan in realtime één enkele orde isoleren voor afsteltaken, en een Campbell-diagramcalculator helpt te voorspellen waar die kruisingen zich zullen voordoen, nog voordat er getest wordt.
6. Orderanalyse in de praktijk
Op de werkvloer vormt de orderanalyse de basis voor het balanceren van machines die geen constant toerental kunnen aanhouden. Een draagbaar tweekanaalsinstrument zoals de Balanset-1A gebruikt zijn optische lasertachometer om trillingsgegevens te koppelen aan de ashoek, zodat de 1×-onbalanscomponent die het meet voor veldbalancering blijft nauwkeurig, zelfs bij een ventilator of pomp waarvan het toerental onder belasting afwijkt. Dankzij dezelfde op de toerenteller gebaseerde methode kan de analysator de snelheidssynchrone 1×-piek onderscheiden van ruis met een vaste frequentie, zoals lagerfoutfrequenties, waardoor een betrouwbare meting van de onbalans wordt verkregen. In feite zorgt ordeanalyse ervoor dat trillingsgegevens van een machine met variabel toerental worden omgezet in informatie waarop een ingenieur kan reageren — waardoor de conditie van elke rotor die bij verschillende toerentallen draait, nauwkeurig kan worden vastgesteld.
