Inzicht in zijbanden bij trillingsanalyse
Zijbanden zijn kleine frequentiepieken die voorkomen in een FFT-spectrum op gelijke afstanden aan weerszijden van een grotere centrale piek die bekendstaat als de draagfrequentie. Hun aanwezigheid is een onmiskenbaar teken van modulatie — een toestand waarbij het ene signaal op het andere wordt ‘afgedrukt’ — en de afstand tussen de zijbanden gelijk is aan de frequentie van het modulerende signaal. Omdat die afstand rechtstreeks wijst naar het verantwoordelijke roterende element, behoren zijbanden tot de krachtigste en meest eenduidige diagnostische patronen in trillingsanalyse, met name voor gearbox en handelswijze foutdetectie.
1. Wat zijn zijbanden: modulatie in het spectrum
Modulatie is een bekend begrip uit de radio, en het mechanisme in een versnellingsbak werkt op dezelfde manier. De sterkte van een constante hoogfrequente toon (de draaggolf) wordt gevarieerd door een langzamer terugkerend signaal (de modulator); in het spectrum zorgt die variatie er niet voor dat de piek van de draaggolf vervaagt, maar splitst de energie zich op in symmetrische nevenpieken. De draaggolf zelf is meestal een geforceerde trilling die ontstaat bij normaal gebruik, terwijl de modulator het ritme is dat één keer per omwenteling voorkomt bij een defect onderdeel. Het herkennen van dit patroon is wat het verschil maakt tussen een zekere diagnose en een gok.
2. Hoe zijbanden worden gegenereerd
Zijbanden ontstaan wanneer de amplitude van een primair trillingssignaal — de draaggolf — in de loop van de tijd wordt beïnvloed door een tweede, langzamer signaal: de modulator. Het klassieke voorbeeld is een defecte tandwieltand:
- De Tandwielingrijpfrequentie (GMF) is de draaggolf. Dit is een hoge frequentie die ontstaat door het normale in elkaar grijpen van de tandwieltanden.
- Een enkele gebarsten tand op dat tandwiel veroorzaakt bij elke omwenteling een schok. Telkens wanneer de defecte tand in het tandwiel grijpt, beïnvloedt die schok het GMF-signaal — en verandert de amplitude ervan.
- De rotatiesnelheid van de aandrijving is dus de modulatiefrequentie.
Het resultaat in het FFT-spectrum is een grote piek bij de GMF (de draaggolf), geflankeerd door kleinere zijbandpieken die op de rotatiesnelheid van het tandwiel zijn afgestemd. Dit patroon bewijst niet alleen dat er een storing is, maar ook dat deze zich op dat specifieke tandwiel bevindt. Deze relatie wordt weergegeven door een eenvoudige formule:
Zijbandfrequentie = Draaggolffrequentie ± (n × Modulerende frequentie), waarbij n = 1, 2, 3 …
De reeks pieken boven en onder de draaggolf vormt dus een gelijkmatig verdeelde kam, en door de afstand in hertz te meten — en deze vervolgens om te rekenen naar omwentelingen per minuut — weet de analist precies welke as niet goed functioneert.
3. Belangrijke toepassingen in machine-diagnostiek
Diagnose van de versnellingsbak
Dit is de primaire toepassing voor zijbandanalyse.
- Zijbanden rond GMF: als er rond de GMF van een tandwiel zijbanden verschijnen die op de draaisnelheid van het tandwiel zijn afgestemd, duiden deze op een defect aan dat tandwiel — een gebarsten tand, een versleten tand, of excentriciteit.
- Zijbanden rond harmonischen van GMF: ernstige storingen veroorzaken vaak ook zijbanden rond de 2× en 3× GMF, waardoor het kamvormige patroon zich rond elk harmonische.
- Frequentie van de jachttand: in complexe tandwielstellen, specifieke niet-gehele zijbanden bij de frequentie van jachtgebit kan een storing opsporen die alleen optreedt wanneer twee specifieke tanden op verschillende tandwielen elkaar raken.
Diagnostiek van rollagers
Zijbanden zijn ook van cruciaal belang voor het bevestigen van lagerschade, met name afwijkingen binnen het ras:
- Een defect aan de innerlijk ras draait mee met de as, en naarmate deze in en uit de belastingszone van het lager beweegt, neemt de amplitude van de stoten die hij veroorzaakt toe en af.
- Dit leidt tot amplitudemodulatie van de frequentie van de binnenringfout, BPFI.
- Het resulterende spectrum toont een piek bij BPFI met zijbanden met een onderlinge afstand gelijk aan 1× de rotatiesnelheid van de as. Het waarnemen van dit patroon is een zeer betrouwbare aanwijzing voor een defect binnen de race — en het is een van de redenen envelopanalyse is zo effectief in het demoduleren van deze signalen.
Diagnose van elektromotoren
Problemen met de rotorstaven in een AC-inductiemotor kunnen leiden tot zijbanden rond de 1x-toerentalpiek. Deze zijbanden bevinden zich op de poolpasseerfrequentie - de slipfrequentie van de motor vermenigvuldigd met het aantal polen van de motor — en vormen een klassiek kenmerk van gebroken rotorstaven.
4. Overwegingen bij de analyse
Om zijbandanalyse effectief te kunnen gebruiken, zijn gegevens van hoge kwaliteit essentieel:
- Hoge resolutie: Er is een FFT met hoge resolutie (bijvoorbeeld 3200 of 6400 lijnen) nodig om de zijbandpieken duidelijk te kunnen zien en de afstand ertussen nauwkeurig te meten. Bij een lage resolutie lopen de zijbanden samen met de draaggolfpiek in elkaar over. De verhouding tussen het aantal lijnen, de spanwijdte en de resolutie kan worden gecontroleerd met een FFT-resolutiecalculator.
- Trending: het aantal en de amplitude van de zijbanden zijn een goede indicator voor de ernst van de storing. Naarmate een storing verergert, verschijnen er meer zijbanden en neemt hun amplitude toe, dus door deze in de loop van de tijd te registreren via trendanalyse houdt de achteruitgang bij.
- Zoom FFT: de Zoom FFT Met deze functie op een analysator kan de analist een smal frequentiebereik met zeer hoge resolutie uitvergroten om de aanwezigheid en de afstand tussen de zijbanden te controleren.
5. De tussenruimtes lezen: van patroon naar diagnose
De diagnostische kracht van een zijbandfamilie ligt in de wiskundige berekeningen. Omdat de afstand gelijk is aan de modulatiefrequentie, kan een analist vanuit de kam terugredeneren naar de oorzaak: een afstand bij 1× as-toerental wijst op die as; een afstand bij de slipgerelateerde poolpassfrequentie wijst op de elektrische toestand van de motor; een niet-gehele afstand wijst op een specifiek tandpaar. Het vooraf meten van de tandwielfrequentie en de verwachte zijbandenstructuur — bijvoorbeeld met een speciale berekenaar voor de tandwielingrijpfrequentie — stelt de analist in staat om precies te voorspellen waar hij moet zoeken voordat hij het spectrum opent.
In de praktijk worden deze patronen vastgelegd met een draagbare spectrumanalysator die van machine naar machine wordt meegenomen. Een instrument zoals de Balans-1a meet het trillingsspectrum van een draaiende machine met een resolutie die hoog genoeg is om de zijbandkam rond de frequentie van een tandwiel- of lagerdefect te onderscheiden, zodat een technicus de diagnose ter plaatse kan bevestigen; en wanneer uit hetzelfde onderzoek blijkt dat het belangrijkste probleem eenvoudig is onevenwicht in plaats van een tand- of baanfout, gaat het instrument rechtstreeks naar veldbalancering to correct it.
Wanneer een analist een duidelijk, symmetrisch zijbandpatroon op de verwachte afstand aantreft, neemt het vertrouwen in de diagnose stijgt van ‘mogelijk’ naar ‘zeer waarschijnlijk’ — en dat is precies de reden waarom zijbanden worden beschouwd als een van de meest betrouwbare kenmerken in dit vakgebied.
