آنالیز ارتعاش چیست؟

تجزیه و تحلیل ارتعاش به عنوان فرآیندی برای اندازه‌گیری سطوح ارتعاش و فرکانس ماشین‌آلات و سپس استفاده از اطلاعات به دست آمده برای تجزیه و تحلیل سلامت ماشین و اجزای آن تعریف می‌شود. در حالی که عملکرد و فرمول‌های مورد استفاده برای محاسبه اشکال مختلف ارتعاش می‌تواند پیچیده باشد اما همه چیز در اصل با استفاده از یک شتاب‌سنج برای اندازه‌گیری ارتعاش شروع می‌شود. هر زمان که یک ماشین کار می‌کند، لرزش ایجاد می‌شود. یک شتاب‌سنج متصل به دستگاه یک سیگنال ولتاژ تولید می‌کند که مطابق با میزان ارتعاش و فرکانس ارتعاشی است که دستگاه تولید می‌کند و معمولاً چند بار در ثانیه یا دقیقه  رخ می‌دهد.

تمام داده‌های جمع‌آوری‌شده از شتاب‌سنج مستقیماً به یک جمع‌آورنده داده (نرم‌افزار) می‌رود که سیگنال را به صورت دامنه در مقابل زمان (معروف به شکل موج زمان)، دامنه در برابر فرکانس (معروف به تبدیل فوریه سریع) یا هر دو ثبت می‌کند. همه این داده‌ها توسط الگوریتم‌های برنامه کامپیوتری تجزیه و تحلیل می‌شوند، که به نوبه خود توسط مهندسان یا تحلیلگران ارتعاش آموزش‌دیده برای تعیین سلامت دستگاه و شناسایی مشکلات احتمالی قریب‌الوقوع مانند شلی، عدم تعادل، ناهماهنگی، مشکلات روان‌کاری و موارد دیگر تجزیه و تحلیل می‌شوند. تجزیه و تحلیل ارتعاش می‌تواند مشکلاتی مانند موارد زیر را شناسایی کند: 

• عدم تعادل
•  خرابی بلبرینگ
•  شلی مکانیکی
•  ناهماهنگی
•  رزونانس و فرکانس‌های طبیعی
•  خطاهای موتور الکتریکی
•  شفت‌های خمیده
•  خرابی گیربکس
•  فضای خالی یا حباب (کاویتاسیون) در پمپ‌ها
•  سرعت‌های بحرانی

 روش تجزیه و تحلیل ارتعاش

در حالی که شتاب‌سنج‌ها هنوز رایج‌ترین ابزاری هستند که برای جمع‌آوری داده‌های ارتعاش استفاده می‌شود، فناوری حسگر بهبود یافته امکان استفاده از حسگرهای لیزری غیر تماسی و پرسرعت را فراهم کرده است که می‌توانند مشکلاتی را که شتاب‌سنج‌ها نمی‌توانند تشخیص دهند را شناسایی کند. این مورد امکان تجزیه و تحلیل دقیق‌تر و محلی‌تر را فراهم می‌کند و تجزیه و تحلیل ارتعاش را به روش شناسایی نسبتا دقیقی تبدیل می‌سازد. تحلیل ارتعاش به طور کلی به چهار اصل تقسیم می‌شود و هر اصل اطلاعات خاصی در مورد شرایط کاری و ویژگی‌های قطعات ارتعاشی به شما می‌دهد:

• حوزه زمان: هنگامی که یک سیگنال ارتعاشی از یک مبدل (دستگاهی که یک کمیت فیزیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند) گرفته می‌شود و روی صفحه یک اسیلوسکوپ (oscilloscope) نمایش داده می‌شود، به آن شکل موج می‌گویند. این سیگنال در حوزه زمان است. دامنه زمان بر حسب زمان ترسیم می‌شود. در حالی که اکثر مشکلات ارتعاش ماشین با استفاده از تحلیل طیف تشخیص داده می‌شود، برخی از انواع آن به راحتی در شکل موج دیده می‌شوند.
• حوزه فرکانس: هنگامی که شکل موج مورد تجزیه و تحلیل طیف یا spectrum analysis قرار می‌گیرد، نتیجه نهایی تصویری از فرکانس در مقابل دامنه است که به عنوان طیف شناخته می‌شود. طیف در حوزه فرکانس است درست مانند ارتعاش در حوزه زمان. بیشتر تحلیل‌های عمیق ارتعاش ماشین‌آلات در حوزه فرکانس یا با استفاده از تحلیل طیف انجام می‌شود.
• دامنه مشترک: از آنجایی که سیگنال ارتعاش با زمان متفاوت است، محاسبه بیش از یک طیف در یک زمان می‌تواند مفید باشد. برای انجام این کار، می‌توان از یک تکنیک زمان مشترک به نام Gabor-Wigner-Wavelet استفاده کرد که در اینجا به جزییات آن نمی‌پردازیم. 
•   تحلیل مودال: آنالیز مودال توابع پاسخ فرکانسی اندازه گیری شده یک ماشین را می‌گیرد و آنها را در یک مدل کامپیوتری قرار می‌دهد. مدل کامپیوتری را می‌توان با انیمیشن در حالت‌های مختلف ارتعاش نمایش داد. این مدل را می‌توان با اضافه کردن یا حذف مواردی مانند جرم یا سفتی تنظیم کرد تا اثرات را مشاهده نمود.

خارج از این چهار اصل اساسی، اشکال متعددی از آنالیز، محاسبات و الگوریتم‌های مورد استفاده برای تعیین جنبه‌های مختلف تحلیل ارتعاش وجود دارد، برای مثال:

• شکل موج زمانی یا Time waveform: در شکل موج زمانی، شتاب در مقابل زمان نمایش داده می‎‌شوذ که به صورت جداول و نمودار بیان می‌شود. شکل‌های موج زمان، نمونه‌ای کوتاه از ارتعاش خام را نشان می‌دهد و حاوی سرنخ‌هایی مربوط به وضعیت ماشین‌آلات است که همیشه در طیف فرکانس مشخص نیستند. 
• تبدیل فوریه سریع یا Fast Fourier Transform  که به اختصار FFT نامیده می‌شود: این روش به عنوان یک الگوریتم برای محاسبه یک طیف از شکل موج زمانی تعریف می‌شود. به عبارت دیگر، شامل محاسباتی است که هدف آن تجزیه یک سیگنال به تمام فرکانس‌های آن است. تبدیل فوریه سریع اغلب برای تشخیص عیوب ماشین مانند عدم تراز یا عدم تعادل استفاده می‌شود.
•  اندازه‌گیری فاز: وقتی صحبت از آنالیز ارتعاش می‌شود، فاز یک اختلاف زمانی نسبی بین دو سیگنال است که بر خلاف زمان بر حسب واحد زاویه اندازه‌گیری می‌شود. این مورد فقط در صورتی کار می‌کند که دو سیگنال مورد مقایسه فرکانس یکسانی داشته باشند. اندازه‌گیری فاز همراه با FFT برای رمزگشایی عیوبی مانند قطعات شل، ناهماهنگی و عدم تعادل استفاده می‌شود.
• تجزیه و تحلیل ترتیبی یا اوردر یا order analysis: تجزیه و تحلیل اوردر نوعی از تجزیه و تحلیل FFT است و بیشتر برای تعیین کمیت ارتعاشات ماشین‌هایی با دورهای متغیر در دقیقه (RPM) استفاده می‌شود. به عبارت دیگر، تجزیه و تحلیل ترتیبی یا اوردر، تحلیل فرکانسی است که در آن محور فرکانس طیف به جای هرتز، به ترتیب RPM نشان داده می‌شود. 
• چگالی طیفی توان یا Power spectral density که به اختصار PSD خوانده می‌شود: چگالی طیفی توان با ضرب دامنه از FFT در اشکال مختلف آن محاسبه می‌شود تا آن را با عرض bin فرکانس نرمال کند (عرض bin به مقادیر گروه‌بندی‌شده محور x اشاره دارد). PSD را به عنوان نگاه کردن به ارتعاشات یا حرکت “تصادفی” در فرکانس‌های مختلف در نظر بگیرید. 
•  تجزیه و تحلیل پاکت یا Envelope analysis: آنالیز پاکت شکلی از تجزیه و تحلیل ارتعاش است که میتواند ضربه‌هایی را با انرژی بسیار کم که اغلب توسط سیگنال های ارتعاشی دیگر پنهان می‌شوند، تشخیص دهد. این مورد یک ابزار تشخیصی محبوب برای دندانه‌های چرخ‌دنده و یاتاقان غلتکی آسیب دیده است.
• اوربیت: اوربیت به عنوان طرحی از خط مرکزی ژورنال یاتاقان آستین تعریف می‌شود که با قرار دادن دو پروب در محفظه یاتاقان با فاصله 90 درجه اندازه‌گیری می‌شود. داده‌های این کاوشگرها را می‌توان به صورت دیجیتالی نمایش داد.
• آنالیز رزونانس: آنالیز رزونانس تمام ارتعاشات و فرکانس‌های طبیعی در ماشین‌ها را شناسایی می‌کند. وجود رزونانس به معنای لرزش زیاد است که می‌تواند به سطوح آسیب‌رسان برسد.