Inzicht in radiale trillingen in roterende machines
Radiale trilling is de beweging van een draaiende as loodrecht op de draaias, die vanuit het midden naar buiten toe uitstraalt, zoals de spaken van een wiel. Het woord ‘radiaal’ omvat elke richting die van de hartlijn van de as afwijkt, en omvat dus zowel horizontale (van links naar rechts) als verticale (van boven naar beneden) bewegingen. Het is dezelfde grootheid die ingenieurs laterale trilling of transversale trilling, en het is veruit de meest gemeten en in trends weergegeven vorm van trillingen bij roterende machines — het eerste cijfer waar een betrouwbaarheidstechnicus naar kijkt, en het cijfer waarop de meeste internationale normen zijn gebaseerd. In de praktijk wordt het in twee loodrechte richtingen bij elk lager gemeten, zodat het volledige traject van de as in de ruimte kan worden gereconstrueerd.
1. Definitie en meetinstructies
Omdat een as in elke richting kan bewegen binnen het vlak dat loodrecht op zijn as staat, geeft één enkele sensor nooit een volledig beeld. Twee sensoren die onder een hoek van 90° ten opzichte van elkaar bij elk lager zijn gemonteerd, geven een volledig beeld van de radiale verplaatsing, en hun meetwaarden worden doorgaans zowel afzonderlijk als gecombineerd weergegeven.
Horizontale radiale trilling
Horizontale trilling is de zijwaartse beweging van de as:
- Loodrecht op de as van de schacht en evenwijdig aan de vloer.
- Vaak het best bereikbare meetpunt op een horizontale machine.
- Houdt rekening met de zwaartekracht, asymmetrie in de stijfheid van de fundering en horizontale belastingsfuncties.
- De standaard meetoriëntatie voor de meeste routinematige monitoringprogramma’s.
Verticale radiale trilling
Verticale trilling is de op-en-neergaande beweging van de as:
- Loodrecht op de as van de schacht en loodrecht op de vloer.
- Rechtstreeks beïnvloed door de zwaartekracht en het statische gewicht van de rotor.
- De amplitude is vaak groter dan bij horizontale bewegingen, omdat het gewicht van de rotor zorgt voor een asymmetrische stevigheid van de ondersteuning.
- Dit is van cruciaal belang voor het diagnosticeren van verticaal geplaatste machines, zoals verticale pompen en motoren, waarbij de termen ‘horizontaal’ en ‘verticaal’ hun gebruikelijke betekenis verliezen en de twee radiale assen simpelweg loodrecht op elkaar staan.
Algemene radiale trilling
De totale radiale verplaatsing is de vectorsom van de twee gemeten componenten:
Radiaal Totaal = √(Horizontaal² + Verticaal²)
- Geeft de werkelijke omvang van de beweging weer, ongeacht de richting.
- Handig voor het beoordelen van de ernst op basis van één getal en voor het instellen van alarmen.
- Omdat de twee assen zelden op hetzelfde moment hun hoogste punt bereiken, is de baan die de as beschrijft meestal een ellips in plaats van een cirkel — een feit dat van belang is bij de analyse van de baan.
2. Belangrijkste oorzaken van radiale trillingen
Radiale trillingen worden veroorzaakt door elke kracht die loodrecht op de as van de schacht werkt. Het vaststellen van de dominante frequentie vormt de kern van de diagnose, omdat elke storing een kenmerkend patroon achterlaat.
1. Onevenwicht (de belangrijkste oorzaak)
Onbalans is de belangrijkste oorzaak van radiale trillingen bij roterende apparatuur:
- It creates a centrifugale kracht die met de as meedraait en verschijnt bij loopsnelheid (1X).
- De kracht neemt toe met de onbalansmassa, de straal ervan en — vooral — het kwadraat van de snelheid, waardoor een klein, zwaar puntje een groot probleem wordt naarmate het toerental stijgt.
- Het heeft een overwegend ronde of elliptische vorm schachtbaan.
- Dit kan worden verholpen door balanceren, de enige van deze storingen die doorgaans kan worden verholpen zonder onderdelen te vervangen.
2. Verkeerde uitlijning
Asuitlijningsfout tussen gekoppelde machines ontstaat zowel radiale als axiale trilling:
- Dit uit zich voornamelijk in radiale trillingen van 2X (twee keer per omwenteling).
- Het genereert ook 1X, 3X en meer harmonischen.
- Sterke axiale trillingen die gepaard gaan met het radiale signaal vormen een belangrijke aanwijzing.
- De fase Aan de hand van de verhouding tussen de twee lagers kun je zien of de uitlijningsfout hoekmatig, parallel (versprongen) of beide is.
3. Mechanische defecten
Verschillende mechanische problemen veroorzaken kenmerkende radiale patronen:
- Lagerdefecten: hoogfrequente schokken bij de lagerfoutfrequenties.
- Verbogen of kromgetrokken as: 1X-trilling die lijkt op onbalans, maar zelfs bij een lage snelheid optreedt — zie schachtboog.
- Losheid: meerdere harmonischen (1X, 2X, 3X en hoger) met een niet-lineair, vaak directioneel gedrag.
- Scheuren: 1X- en 2X-trilling die tijdens het opstarten en afsluiten verandert — een kenmerk van een gebarsten rotor.
- Wrijven: een combinatie van subsynchrone en synchrone componenten, kenmerkend voor rotor wrijven.
4. Aerodynamische en hydraulische krachten
De krachten die in pompen, ventilatoren en compressoren optreden, oefenen op zichzelf al een radiale kracht uit:
- Doorlaatfrequentie van het blad (aantal bladen × toerental).
- Hydraulische onbalans als gevolg van een asymmetrische stroming.
- Vortexafscheiding en stromingswervelingen.
- Recirculatie en bedrijf buiten het nominale bereik, met inbegrip van cavitatie in pumps.
5. Resonantieomstandigheden
Wanneer de machine in de buurt van een kritische snelheid, radiale trillingen worden dramatisch versterkt:
- Een eigenfrequentie komt overeen met een aandrijffrequentie, de klassieke voorwaarde voor resonantie.
- De amplitude wordt dan alleen beperkt door het systeem demping.
- De waarden kunnen binnen een smal snelheidsbereik tot catastrofale hoogten stijgen.
- Bij het ontwerp moet er daarom worden gezorgd voor voldoende veiligheidsmarges tussen de bedrijfssnelheid en de kritische snelheden.
3. Meetnormen en parameters
Meeteenheden
Radiale trillingen kunnen worden uitgedrukt in drie onderling samenhangende parameters, die elk geschikt zijn voor een ander frequentiebereik:
- Verplaatsing: de werkelijk afgelegde afstand (micrometer µm, of mil). Wordt gebruikt voor machines met een laag toerental en proximity-probe afmetingen van de as.
- Snelheid: de snelheid van de verplaatsing (mm/s, in/s). De meest gangbare parameter voor algemene industriële machines en de basis voor de ISO-normen voor zwaartegraad.
- Versnelling: de versnelling (m/s², g). Wordt gebruikt voor hoogfrequente toepassingen, zoals het opsporen van lagerdefecten.
Die keuze is van belang omdat dezelfde fysieke beweging in het ene meetkanaal onschuldig kan lijken en in het andere alarmerend — snelheid heeft de neiging het spectrum in het middenfrequentiegebied, waar de meeste storingen in roterende machines zich voordoen, af te vlakken, en dat is precies de reden waarom dit de basis vormt voor de ISO-grenswaarden.
Internationale normen
De ISO 20816 Deze reeks normen bevat grenswaarden voor de ernst van radiale trillingen. (Deze reeks vervangt de oudere ISO 10816-reeks en de eerdere ISO 2372; verwijs naar ISO 20816 als de geldende norm.)
- ISO 20816-1: algemene richtlijnen voor het beoordelen van trillingen in machines.
- ISO 20816-3: specifieke criteria voor industriële machines met een vermogen van meer dan 15 kW.
- Trilingszones: A (goed), B (acceptabel), C (onvoldoende), D (onacceptabel)
- Meetlocatie: meestal op de lagerhuizen in radiale richting.
Industriespecifieke normen
- API 610: grenzen voor radiale trillingen bij centrifugaalpompen.
- API 617: trillingscriteria voor centrifugaalcompressoren.
- API 684: procedures voor rotordynamische analyse ter voorspelling van radiale trillingen.
- NEMA MG-1: trillingsgrenzen voor elektromotoren.
4. Monitoring- en diagnosetechnieken
Routinematige monitoring
Standaardprogramma’s meten radiale trillingen volgens een vast schema:
- Ophaling op basis van route: periodieke metingen met vaste tussenpozen (maandelijks, driemaandelijks).
- Algemene trends: waarbij we zien hoe de totale amplitude in de loop van de tijd toeneemt.
- Alarm limits: vastgesteld op basis van ISO-normen of apparatuurspecifieke normen.
- Vergelijking: current versus basislijn, en horizontaal versus verticaal.
Geavanceerde analyse
Als er een probleem wordt vermoed, brengen meer geavanceerde hulpmiddelen de aard ervan aan het licht:
- FFT-analyse: a frequency spectrum de trilling in zijn samenstellende delen opsplitsen.
- Tijdgolfvorm: het ruwe signaal in de tijd, waardoor transiënten en modulatie zichtbaar worden.
- Faseanalyse: de tijdsrelaties tussen meetpunten.
- Orbitanalyse: het traject van de as-middellijn dat rechtstreeks overeenkomt met de radiale afmetingen.
- Envelopanalyse: hoogfrequente demodulatie voor vroegtijdige detectie van lagerdefecten.
Continue monitoring
Kritieke apparatuur wordt doorgaans continu bewaakt:
- Nabijheidssensoren voor directe meting van asbewegingen.
- Vast gemonteerd versnellingsmeters op de lagerhuizen.
- Realtime trends en waarschuwingen.
- Integratie met automatische machinebeveiliging systemen.
5. Verschillen tussen horizontaal en verticaal
Typische amplituderelaties
Op veel machines is de verticale waarde groter dan de horizontale:
- Zwaartekrachteffect: Het gewicht van de rotor zorgt voor een statische doorbuiging die de constructie in verticale richting verstevigt.
- Asymmetrische stijfheid: funderingen en draagconstructies zijn vaak horizontaal stijver.
- Typische verhouding: Een verticale trilling die 1,5 tot 2 keer zo groot is als de horizontale trilling komt vaak voor.
- Effect van de balansgewichten: correctiegewichten die aan de onderkant van een rotor worden geplaatst (het gemakkelijkst bereikbare punt) hebben de neiging om vooral de verticale trillingen te verminderen.
Diagnostische verschillen
- Onevenwicht: kan in een bepaalde richting sterker doorklinken, afhankelijk van waar het zwaartepunt ligt.
- Losheid: laat de niet-lineariteit vaak duidelijker zien in de verticale richting.
- Fundamentele kwesties: verticale trillingen zijn gevoeliger voor verslechtering van de fundering.
- Verkeerde uitlijning: kan er bij horizontale en verticale metingen verschillend uitzien, afhankelijk van het soort afwijking.
6. Verband met rotordynamica
Radiale trillingen staan centraal in rotordynamiek analyse, omdat het radiale buiggedrag van een as bepaalt hoe — en waar — deze defecten zal vertonen.
Kritische snelheden
- De radiale eigenfrequenties bepalen de kritische snelheden.
- De eerste kritische snelheid komt doorgaans overeen met de eerste radiale buigmodus.
- Campbell-diagrammen het radiale gedrag voorspellen als functie van de snelheid.
- Door voldoende afstand te houden tot de kritische snelheden wordt radiale trilling binnen de perken gehouden.
Modusvormen
- Elke radiale modus heeft een kenmerkende vervormingspatroon.
- Eerste modus: een eenvoudige boog.
- Tweede modus: een S-curve met een knooppunt.
- Hogere niveaus: steeds complexere patronen.
Balancerende overwegingen
- Het afstellen is gericht op het verminderen van radiale trillingen bij de 1X-frequentie.
- Invloedcoëfficiënten breng elk correctiegewicht in verband met de daaruit voortvloeiende verandering in radiale trilling.
- The best correctievlak de locaties vloeien voort uit de radiale modale vormen.
7. Correctie, controle en praktijkopdrachten
Voor onbalans
- Veldbalancering met behulp van een draagbare analysator. Een tweekanaalsapparaat zoals de Balans-1a meet de 1X radiale amplitude en fase bij elk lager, berekent de invloedscoëfficiënten en stelt een ingenieur in staat de rotor in zijn eigen lagers op bedrijfssnelheid te balanceren — zonder demontage en zonder balanceermachine. Om een gemeten waarde om te zetten in een correctiemassa kunt u ook gebruikmaken van de calculator voor proefgewicht.
- Enkelvlaks of tweevlaksbalancering procedures, gekozen op basis van de geometrie van de rotor.
- Nauwkeurig uitbalanceren in de werkplaats op een balanceermachine voor de meest cruciale onderdelen.
Voor mechanische problemen
- Nauwkeurige uitlijning om afwijkingen te corrigeren.
- Vervanging van lagers bij defecte lagers.
- Loszittende onderdelen vastdraaien.
- Funderingherstel bij bouwtechnische problemen.
- Het rechtbuigen of vervangen van verbogen assen.
Voor resonantieproblemen
- De snelheid wordt aangepast om gebieden met kritische snelheden te vermijden.
- Stijfheidsaanpassingen (asdiameter, veranderingen in lagerlocatie)
- Verbeteringen op het gebied van demping, zoals squeeze-film-dempers of een aangepaste lagerkeuze.
- Grote aanpassingen om de eigenfrequenties verder van het bedrijfstoerental te brengen.
8. Het belang van voorspellend onderhoud
Het monitoren van radiale trillingen vormt de hoeksteen van voorspellend onderhoud:
- Vroegtijdige foutdetectie: Veranderingen in radiale trillingen gaan weken of maanden vooraf aan storingen
- Trending: geleidelijke stijgingen duiden op een zich ontwikkelend probleem.
- Foutdiagnose: De frequentiesamenstelling geeft het specifieke type storing aan.
- Beoordeling van de ernst: De amplitude geeft aan hoe ernstig en urgent het probleem is.
- Onderhoudsplanning: het werk wordt bepaald door de omstandigheden en niet door de kalender.
- Cost savings: katastrofale storingen worden voorkomen en onderhoudsintervallen worden geoptimaliseerd.
Als belangrijkste maatstaf voor trillingen bij roterende machines biedt radiale trilling essentiële informatie over de toestand van de apparatuur — waardoor deze onmisbaar is voor een betrouwbare, veilige en efficiënte werking van industriële roterende apparatuur.
