Măsurarea vibrațiilor: Ghidul complet

Pe măsură ce tehnicile de izolare și reducere a vibrațiilor au devenit o parte integrantă a proiectării mașinilor, a crescut nevoia de măsurare și analiză precisă a vibrațiilor mecanice. Utilizând accelerometre pentru a converti mișcarea vibratorie într-un semnal electric, procesul de măsurare și analiză este realizat cu abilitate de versatilele echipamente electronice moderne.

 

Ce este vibrația?

Spunem că un corp vibrează atunci când descrie o mișcare oscilantă în jurul unei poziții de referință. Numărul de repetari ale unui ciclu complet de mișcare pe durata unei secunde se numește frecvență și se măsoară în hertzi (Hz).

Mișcarea poate consta dintr-o singură componentă care apare la o singură frecvență, ca în cazul unui diapazon, sau din mai multe componente care apar simultan la frecvențe diferite, de exemplu, în cazul mișcării pistonului unui motor cu combustie internă.

În practică, semnalele de vibrații constau, de obicei, din foarte multe frecvențe care apar simultan, astfel încât nu putem vedea imediat, doar privind modelul amplitudine-timp, câte componente există și la ce frecvențe apar.

Aceste componente pot fi evidențiate prin reprezentarea grafică a amplitudinii vibrațiilor în funcție de frecvență. Descompunerea semnalelor de vibrații în componente individuale de frecvență se numește analiză de frecvență, o tehnică care poate fi considerată piatra de temelie a măsurătorilor de diagnosticare a vibrațiilor. Graficul care arată nivelul vibrațiilor în funcție de frecvență se numește spectru de frecvență.

Atunci când analizăm frecvența vibrațiilor mașinilor, găsim în mod normal mai multe componente periodice de frecvență proeminente care sunt direct legate de mișcările fundamentale ale diferitelor părți ale mașinii. Prin urmare, cu ajutorul analizei de frecvență, putem depista sursa vibrațiilor nedorite.

De unde vin vibrațiile?

În practică, vibratiile sunt foarte dificil de evitat si imposibil de eliminat complet. De obicei, acestea apar din cauza efectelor dinamice ale toleranțelor de fabricație, ale jocurilor, ale contactului prin rostogolire și frecare între piesele utilajelor și ale forțelor de dezechilibru în elementele rotative și alternative. Adesea, vibrațiile mici și nesemnificative pot excita frecvențele de rezonanță ale unor alte părți structurale și pot fi amplificate în surse majore de vibrații și zgomot.

Totuși, uneori, vibrațiile mecanice au o funcție utilă. De exemplu, generăm vibrații în mod intenționat în compactoare de beton, băi de curățare cu ultrasunete si mașini de găurit roci. Mașinile de testare a vibrațiilor sunt utilizate pe scară largă pentru a transmite un nivel controlat de energie de vibrație produselor și subansamblelor în cazul în care este necesar să se examineze răspunsul lor fizic sau funcțional și să se verifice rezistența lor la vibrații.

O cerință fundamentală în toate activitățile legate de vibrații, fie că este vorba de proiectarea mașinilor care utilizează energiile vibrațiilor, fie de crearea și întreținerea unor produse mecanice care funcționează fără probleme, este capacitatea de a obține o descriere exactă a vibrațiilor prin măsurare și analiză.

 

Cuantificarea nivelului de vibrații

Amplitudinea vibrației, care este caracteristica care descrie severitatea vibrației, poate fi cuantificată în mai multe moduri. Pe diagramă, este prezentată relația dintre nivelul de vârf la vârf, nivelul de vârf, nivelul mediu și nivelul RMS al unei unde sinusoidale.

Valoarea de la vârf la vârf este valoroasă, deoarece indică elongatia maximă a undei, o cantitate utilă atunci când, de exemplu, deplasarea vibratorie a unei piese de mașină este critică pentru considerații privind tensiunea maximă sau jocul mecanic.

Valoarea de vârf este deosebit de valoroasă pentru a indica nivelul șocurilor de scurtă durată etc. Dar, după cum se poate observa din desen, valorile de vârf indică doar nivelul maxim care a avut loc, fără a se ține cont de istoricul temporal al undei.

Valoarea medie rectificată, pe de altă parte, ia în considerare istoricul temporal al undei, dar este considerată de interes practic limitat, deoarece nu are o relație directă cu nicio mărime fizică utilă.

Valoarea RMS este cea mai relevantă măsură a amplitudinii, deoarece ia în considerare istoricul temporal al undei și oferă o valoare a amplitudinii care este direct legată de conținutul de energie și, prin urmare, de capacitatea de distrugere a vibrației.

Accelerație, viteză și deplasare

Unități de măsură

Atunci când am analizat diapazonul care vibrează, am considerat amplitudinea undei ca fiind deplasarea fizică a capetelor diapazonului de o parte și de alta a poziției de repaus. În plus față de deplasare, putem descrie mișcarea piciorului diapazonului în termeni de viteză și accelerație. Forma și perioada vibrației rămân aceleași, indiferent dacă se ia în considerare deplasarea, viteza sau accelerația. Principala diferență constă în faptul că există o diferență de fază între curbele amplitudine-timp ale celor trei parametri, așa cum se arată în desen.

Pentru semnalele sinusoidale, amplitudinile de deplasare, viteză și accelerație sunt legate matematic printr-o funcție de frecvență și timp, care este prezentată grafic în diagramă. Dacă faza este neglijată, așa cum se întâmplă întotdeauna atunci când se fac măsurători ale mediei în timp, atunci nivelul vitezei poate fi obținut prin împărțirea semnalului de accelerație cu un factor proporțional cu frecvența, iar deplasarea poate fi obținută prin împărțirea semnalului de accelerație cu un factor proporțional cu pătratul frecvenței. Această diviziune se realizează în mod digital în instrumentele de măsurare.

Parametrii de vibrație sunt măsurați aproape universal în unități metrice, conform cerințelor ISO, acestea fiind prezentate în tabel. Cu toate acestea, constanta gravitațională “g” sau poate mai corect “gn” este încă utilizată pe scară largă pentru nivelurile de accelerație, deși nu face parte din sistemul ISO de unități coerente. Din fericire, un factor de aproape 10 (9,80665) leagă cele două unități [MOP1], astfel încât conversia mentală în limita a 2% este o chestiune simplă.

Alegerea parametrilor de accelerație, viteză sau deplasare

Nu suntem limitați doar la detectarea accelerației vibratorii. Putem converti semnalul de accelerație în viteză și deplasare. Cele mai multe vibrometre moderne sunt echipate pentru a măsura toți cei trei parametri.

În cazul în care se efectuează o singură măsurare a vibrațiilor pe o bandă largă de frecvență, alegerea parametrului este importantă dacă semnalul are componente la mai multe frecvențe. Măsurarea deplasării va acorda cea mai mare pondere componentelor de joasă frecvență și, invers, măsurătorile de accelerație vor cântări nivelul spre componentele de înaltă frecvență.

Experiența a arătat că valoarea RMS globală a vitezei de vibrație măsurată în intervalul 10-1000 Hz oferă cea mai bună indicație a gravității unei vibrații la mașinile rotative. O explicație probabilă este aceea că un anumit nivel de viteză corespunde unui anumit nivel de energie; vibrațiile la frecvențe joase și înalte sunt ponderate în mod egal din punct de vedere al energiei vibrațiilor. În practică, multe mașini au un spectru de viteze rezonabil de plat.

Efectuând o analiză de frecvență în bandă îngustă, alegerea parametrului se va reflecta doar în modul în care analiza este înclinată pe afișaj sau pe imprimare (așa cum se demonstrează în diagrama din mijloc de pe pagina alăturată). Acest lucru ne conduce la un considerent practic care poate influența alegerea parametrului. Este avantajos să se selecteze parametrul care oferă cel mai plat spectru de frecvență pentru a utiliza cât mai bine domeniul dinamic (diferența dintre cea mai mică și cea mai mare valoare care poate fi măsurată) al instrumentului. Din acest motiv, parametrul de viteză sau de accelerație este în mod normal selectat în scopul analizei de frecvență.

Deoarece măsurătorile de accelerație sunt ponderate în funcție de componentele vibrațiilor de înaltă frecvență, acești parametri tind să fie utilizați atunci când domeniul de frecvență de interes acoperă frecvențe înalte.

Natura sistemelor mecanice este astfel încât deplasările apreciabile apar doar la frecvențe joase; prin urmare, măsurătorile de deplasare au o valoare limitată în studiul general al vibrațiilor mecanice. În cazul în care se iau în considerare distanțe mici între elementele mașinii, deplasarea vibratorie este, desigur, un aspect important. Deplasarea este adesea utilizată ca indicator al dezechilibrului în piesele de mașini rotative, deoarece deplasările relativ mari apar de obicei la frecvența de rotație a arborelui, care este, de asemenea, frecvența de cel mai mare interes pentru echilibrare.