ارتعاشات تصادفی(Random Vibration)

ارتعاشات به نوعی از حرکت سیستمهای دینامیکی اطلاق می شود که به صورت نوسانی صورت پذیرفته و حرکت در یک پریود زمانی تکرار شود.که به دو دسته آزاد و تصادفی تقسیم می شوند.

 

این نوع حرکت را در ساده ترین شکل می توان با یک جرم و یک فنر شبیه سازی کرد. با القاء یک تغییر مکان اولیه به جرم متصل به فنر و رها کردن آن، حرکت نوسانی رخ می دهد که می توان دامنه آن را به کمک یک تابع سینوسی بیان نمود.

 

مفاهیم اولیه ارتعاشات

 

  مشخصه های مهم حرکت ارتعاشی عبارتند از:

• دامنه، که معیاری از شدت ارتعاش است.

• فرکانس یا تواتر، که معیاری از نرخ حرکت در واحد زمان است. 

• فاز، که توالی حرکت را نسبت به یک مرجع مشخص می سنجد.

 

دامنه ارتعاشات را می توان از طریق سه پارامتر مختلف بیان کرد:

• جابجایی

• سرعت 

• شتاب

 

جابجایی چیست؟

 

پارامتر اولیه دامنه که در مورد سیستم جرم و فنر، موقعیت جرم را در هر لحظه به دست می دهد.

 

واحدهای اندازه گیری جابجایی:

 

در سیستم SI:          μm

در سیستم اینچی:     mils که برابر یک هزارم اینچ است.

 

منظور از سرعت چیست؟

سرعت، از نظر ریاضی مشتق جابجایی است که نرخ تغییرات جابجایی در واحد زمان را نشان می دهد.

 

واحدهای اندازه گیری سرعت:

 

در سیستم متری:    mm/s

در سیستم اینچی:    in/s

  

منظور از شتاب چیست؟

 

شتاب از نظر ریاضی، مشتق سرعت است و نرخ تغییرات سرعت در واحد زمان را نشان می دهد.

  

واحدهای اندازه گیری شتاب:

 

در سیستم متری:    g  و یا m/s²

در سیستم اینچی:      g   و    یا in/s²

 

چه ارتباطی میان جابجایی سرعت و شتاب وجود دارد؟

 

 

به طور کلی دامنه هر موج سینوسی را به سه شکل می توان تعیین کرد:

 

مقدار 0-p (صفر تا پیک)

مقدار p-p

مقدار rms یا مقدار مؤثر

مقدار میانگین

 

شکل زیر را ببینید:

  

 

 

منظور از فرکانس و فاز ارتعاشات چیست؟

پریود زمانی حرکت (T) بازه زمانی است که سیکل ارتعاشی خود راتکرار می کند. فرکانس ارتعاشات در واقع عکس پریود زمانی است.

            واحدهای اندازه گیری فرکانس:

                        Hertz = 1 / s

                                   cpm= Cycle per minute 

                                cps    = Cycle per second

            که داریم:

                        1Hz = 1 cps = 60 cpm       

فاز، همیشه نسبت به یک مرجع سنجیده می شود و توالی حرکت را نسبت به آن نشان می دهد.

واحد اندازه گیری فاز:

                                    درجه °)) 

چرا ارتعاش در ماشین آلات و تجهیزات دوار وجود دارد؟

به طور کلی دو نوع نیروی استاتیکی و دینامیکی در ماشین آلات وجود دارد. نیروهای ارتعاش زا از نوع نیروهای دینامیکی هستند که بر اثر وجود کاستی هایی در ماشین ایجاد می شوند. برخی از زمینه های بروز کاستی (اختلاف از حالت ایده آل) عبارتند از:

 

- محدودیتهای طراحی

- محدودیتهای ساخت

- اشکال در نصب اولیه

- اشکالات بهره برداری

- بروز اشکالات در حین تعمیرات

- و ...

از آنجاییکه رسیدن به حالت ایده آل امکان پذیر نیست، همیشه تا حدی ارتعاش در ماشین آلات وجود دارد که مجاز شمرده می شود. اما با گذشت زمان و بر اثر بروز اشکالات بعدی، بعضاً ارتعاشات نسبت به حد مجاز افزایش می یابد که با آنالیز و انجام اقدام اصلاحی مناسب، می توان وضعیت را به حالت قبل برگرداند.

  

رابطه زیر میزان ارتعاش ماشین را تعیین می کند:

 

 

    Vibration = Vibratory Force / Impedance

 

نیروهای ارتعاش زا در داخل ماشین و معمولاً در سیستم روتور (یعنی بخش در حال دوران) تولید می شوند. امپدانس از مشخصات هر سیستم مکانیکی و از جمله ماشین آلات دوار است و مسیر انتقال ارتعاش را توصیف می کند.

ارتعاشاتی که معمولاً از روی بخش ساکن (استاتور) ماشین آلات و به ویژه از روی هوزینگ بیرینگ اندازه گیری می شود، تحت تأثیر دو پارامتر فوق است.

اکنون دو پارامتر فوق (یعنی نیروهای ارتعاش زا و امپدانس) را جداگانه بررسی می کنیم.

 

 

نیروهای ارتعاش زا (Vibratory Forces)

 

برخی از عوامل ایجاد نیروهای ارتعاش زا در ماشین آلات، عبارتند از:

 

- میس الایمنت

- نامیزانی جرمی

- سایش اجزا و قطعات

- نیروهای آئرودینامیکی و هیدرودینامیکی

- نیروهای الکترومغناطیسی

- تماس قطعات متحرک و ثابت

- اصطکاک

- . . .

 

امپدانس (Impedance)

امپدانس و یا مقاومت مکانیکی در برابر حرکت، از خصوصیات هر سیستم مکانیکی است که سه مؤلفه دارد:

            1- جرم     2- سفتی     3- میرایی (دمپینگ)

 

 برخی عوامل بدون اینکه از خود نیرویی تولید کنند و تنها از طریق تاثیر بر امپدانس، منجر به تشدید ارتعاش می شوند. مهمترین آنها عبارتند از:

 

- لقی مکانیکی

- تحریک فرکانسهای طبیعی اجزاء (رزونانس)

- ضعف در فونداسیون و یا شاسی ماشین آلات

- ضعیف بودن سازه (استراکچر)

- . . .

 

ارتعاشات به عنوان مشخص کننده وضعیت تجهیز

ارتعاشات هر تجهیز دوار (چه از نظر مقدار و چه از نظر سایر مشخصات ارتعاشات) ارتباط مستقیمی با وضعیت آن دارد و هرگونه تغییر هر چند جزئی در وضعیت تجهیز (از هر نظر) با تغییر در وضعیت ارتعاشات آن همراه خواهد بود.

 

 

منظور از تغییر در وضعیت تجهیز چیست؟

 

- تغییر در شرایط بهره برداری تجهیز

- بروز اشکال (مکانیکی، الکتریکی، . . . ) در تجهیز

- تغییر بار وارد بر تجهیز

- . . .

 

لذا اندازه گیری و آنالیز ارتعاشات یکی از تکنیکهای اصلی برای مانیتورینگ تجهیزات و ماشین آلات دوار به شمار می رود.

برخی عیوب قابل شناسایی از طریق ارتعاشات

 

برخی از عیوبی که به کمک ارتعاشات شناسایی می شوند:

1.  نامیزانی جرمی
2. میس الایمنت
3.  رزونانس
4. لقی مکانیکی
5. خرابی بیرینگ
6. خرابی چرخ دنده
7. خارج از مرکزی
8. شفت خمیده
9. فونداسیون معیوب
10. اشکالات الکتریکی
11. اشکالات آئرودینامیکی و هیدرودینامیکی
12. خرابی کوپلینگ
13. خرابی تسمه و پولی
14.  اشکالات پایپینگ
15. اعوجاج پوسته
16. و . . .

نکته مهم و کلیدی در عیب یابی از طریق آنالیز ارتعاشات این است که:

هر عیبی در تجهیزات دوار، ارتعاشاتی با مشخصات خاص خود (از لحاظ دامنه، فرکانس، فاز و ...) ایجاد می نماید

امکانات مورد نیاز برای اجرای CM ارتعاش سنجی

حداقل امکاناتی که برای پیاده کردن سیستم CM بر مبنای ارتعاش سنجی (به صورت off-line) مورد نیاز هستند عبارتند از:

 

انواع سنسورهای ارتعاش سنجی

تصویر زیر انواع مختلفی از سنسورهای ارتعاش سنجی را نشان می دهد:

انواع تجهیزات داده برداری (برای مثال یک دیتا کالکتور)

تصویر زیر یک دیتا کالکتور (ساخت شرکت DLI) را نشان می دهد:

نرم افزار پردازش و مدیریت اطلاعات

معمولاً به همراه دستگاه های ارتعاش سنجی که برای برنامه CM طراحی و ساخته می شوند، نرم افزارهای تخصصی نیز برای برقراری ارتباط دستگاه با کامپیوتر ارائه می گردد. این نرم افزارها برای مدیریت اطلاعات (ذخیره سازی، پردازش و ...) استفاده می شوند. در زیر نمایی از نرم افزار XMS تولید شرکت B&K را مشاهده می کنید:

انواع سنسورهای ارتعاش سنجی

سنسور ارتعاش سنجی اولین وسیله مورد نیاز برای اندازه گیری ارتعاشات و ابزاری است که حرکت ارتعاشی را حس کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی AC متناسب با حرکت ارتعاشی، تبدیل می کند.

با تبدیل ارتعاشات به سیگنال الکتریکی، امکان ذخیره سازی، انجام پردازشهای بعدی و نیز مشاهده سیگنال از طریق دستگاه های الکترونیکی (تجهیزات داده برداری) فراهم می شود.

 

 

 

نکاتی که درباره سنسورها حایز اهمیت هستند، عبارتند از:

 

- نوع سنسور

- انتخاب صحیح سنسور، با توجه به مشخصات سنسور (حساسیت، پاسخ فرکانسی، رنج دینامیکی، رنج اندازه گیری، ابعاد، وزن، دمای کاری، نوع کانکتور، جهت اندازه گیری، نوع تغذیه سنسور، ...)

- نصب صحیح سنسور

- وضعیت مناسب اتصالات سنسور و کابل آن

 

 در ادامه موارد فوق را به ترتیب بررسی می کنیم، ابتدا آشنایی با انواع سنسورهای ارتعاش سنجی :

به طور کلی با توجه به مکانیزم کاری و پارامتر اصلی اندازه گیری، سنسورهای ارتعاش سنجی در 3 گروه دسته بندی می شوند:

- شتاب سنج

- سرعت سنج

- جابجایی سنج

شتاب سنج ها

همانگونه که در شکل زیر مشاهده می کنید، شتاب سنجها در انواع مختلف و اندازه های گوناگون ساخته می شوند

سه نوع شتاب سنج رایج وجود دارد که عبارتند از:

- شتاب سنجهای پیزو الکتریک

- شتاب سنجهای پیزو رسیستیو

- شتاب سنجهای خازنی

 

شتاب سنجهای پیزوالکتریک رایج تر هستند و از نظر نحوه تأثیر پذیری از ارتعاش و تولید سیگنال الکتریکی، در 2 نوع دسته بندی می شوند: نوع فشاری (Compression type) و نوع برشی (Shear Type). المان اصلی این نوع از شتاب سنجها از مواد پیزوالکتریک مثل کوارتز و یا انواع خاصی از سرامیک ساخته می شود. این مواد بر اثر تحریک شدن، سیگنال الکتریکی تولید می کنند. شماتیک ساختمان این نوع از سنسورها را در شکل زیر می بینید:

همانطور که در شکل پیداست، اجزاء اصلی عبارتند از: یک وزنه، ماده کریستال (پیزوالکتریک)، یک فنر برای پیش بارگذاری، تقویت کننده و پایه. این نوع پیکربندی به گونه ای است که نیروی وارد بر ماده پیزوالکتریک و در نتیجه سیگنال الکتریکی تولید شده توسط آن، متناسب با شتابی است که بر پایه (base) وارد می شود. از آنجاییکه سیگنال ایجاد شده معمولاً ضعیف است، از یک مدار داخلی برای تقویت سیگنال استفاده می شود. نهایتاً خروجی سنسور از طریق کابلهای مناسب به ابزارهای پردازش سیگنال هدایت می شود.

منبع متن:http://www.hematiy.blogfa.com/cat-1.aspx

همچنین می توانید مقاله و جزوه هایی در مورد ارتعاشات تصادفی را در زیر دانلود کنید..

مقاله 1

مقاله2

مقاله 3

مقاله4

کتاب ارتعاشات اتفاقی و تحلیل طیفی