TRILLINGSANALYSE VERGT GRONDIGE KENNIS FREQUENTIESPECTRUM

Oorzaak achterhalen is echt specialistenwerk

Er was een tijd dat trillingen een bijkomstigheid waren in de industrie. Machines die hun werk deden, behoefden geen aandacht, zolang het goed ging. Trillingen waren hoogstens een negatief randfenomeen, iets wat erbij genomen werd. Maar stilaan werd efficiëntie de norm, machinestilstand kon niet meer. Daarom wordt er preventief opgetreden. Trillingsanalyse kan hierbij een zeer interessante hulp zijn, als die tenminste goed toegepast wordt.

ISO 10816 en ISO 18436

In het kader van trillingsanalyse komen deze beide ISO-normen vaak naar voren. De ISO 10816 geeft specifieke procedures en richtlijnen aan voor de meting en evaluatie van mechanische trillingen bij compressorsystemen. De ISO 10816 is dus beperkt tot trillingsanalyse, waarbij de maximale waarden opgegeven worden per machineklasse. Die machineklasse, vier in totaal, hangt af van de grootte van de installatie en de ondergrond. Het spectrum van de ISO 18436 is breder en behelst eerder de kwaliteit van de uitvoering van een conditionmonitoringproces. Niet enkel trillingsanalyse komt hierbij aan bod, ook zaken als het meten van de smeringskwaliteit zijn hierbij een van de onderwerpen.

OORZAKEN

Trillingen zijn veelal makkelijk te detecteren, zij het auditief of dankzij metingen. De achterliggende oorzaak van die trillingen vinden is echter een ander paar mouwen, want de boosdoeners zijn even divers als talrijk. We halen even de belangrijkste aan.

Verkeerd gebruik

Een eerste veelvoorkomende oorzaak ligt bij een verkeerd gebruik. Pompen die voortdurend overbelast worden, zijn hiervan een eerste voorbeeld. Operatoren staan onder druk om steeds sneller te werken om aan bepaalde targets te voldoen. Dat leidt soms tot een verkeerd gebruik van pompen.

Onderbelasting

Ook onderbelasting kan een oorzaak zijn, al is dit minder frequent een oorzaak van trillingen. Het is overigens niet altijd de schuld van de operator. In veel gevallen werd er ook een pomp geïnstalleerd die niet goed gedimensioneerd werd en dus niet beantwoordt aan de noden van de installatie. Naast trillingen zal ook de energie-efficiëntie lijden onder over- en onderbelasting.

Wijzigingen aan de installatie

Wijzigingen aan de installatie zijn een volgende oorzaak. De trend in de industrie is om steeds vaker modulaire en makkelijk aanpasbare machines te gebruiken. Het verhuizen van massaproductie naar lagelonenlanden is hier de achterliggende oorzaak. Onze bedrijven reageren daarop met het aanbieden van gespecialiseerde stukken met toegevoegde waarde, maar die hebben een veel beperktere oplage dan de massaproducten. Dat vereist dus een makkelijk aanpasbare installatie. Maar aanpassingen aan machines hebben dikwijls vergaande gevolgen voor andere onderdelen zoals motoren en pompen, die plots buiten de scope moeten werken waarvoor ze ontwikkeld werden.

Mankementen aan de installatie

Mankementen in de installatie kunnen ook tot trillingen leiden. Een voorbeeld hiervan is de slechte ondersteuning aan appendages of een manke bevestiging van pompen aan de rest van de installatie, waardoor lagers en afdichtingen onder druk kunnen komen. Een andere uiting van een slechte installatie is het onoordeelkundig plaatsen van leidingen (haakse bochten) en filters. Hierdoor kunnen er turbulenties ontstaan die op hun beurt leiden tot cavitatie en trillingen. Ook het gebruik van frequentieregelaars kan een oorzaak zijn, lagerschade door elektrische stroomdoorgang is hierbij de uiting van dit fenomeen.

Onbalans

Onbalans is een volgende bron van trillingen. Dit komt frequent voor bij roterende machine-onderdelen zoals beluchters, ventilatoren, pompschoepen, riemschijven of koppelingen. Een onderdeel zal nooit volmaakt egaal gemaakt zijn. Wie een schoepenwiel van een pomp exact doormidden klieft, zal nooit twee identiek dezelfde helften hebben. Telkens zal er een miniem verschil zijn, hoe groot de nauwkeurigheid bij de productie ook mocht zijn. Dat verschil zal bij een roterende beweging resulteren in een ongelijkmatige verdeling van de massa van de component, waardoor er trillingen ontstaan. Er kan zo schade ontstaan aan het onderdeel zelf, maar ook aan andere onderdelen van de installatie zoals lagers, afdichtingen en koppelingen. Die beschadigingen zullen op hun beurt een nefaste invloed hebben op de volledige machineconstructie. Onbalans is makkelijk te detecteren omdat de trillingen zich concentreren bij de eerste harmonische. Meestal kan dit met een balanceerapparaat ter plaatse verholpen worden.

Resonantie

Resonantie is de vreemde eend in de bijt. Elke mechanische constructie met een staal- of betoninstallatie heeft een zekere massa en stijfheid, en bezit hierdoor een zekere resonantiefrequentie. Elke pompinstallatie heeft een eigen resonantiefrequentie. Als een trilling zich op dezelfde frequentie bevindt als de resonantiefrequentie, zal die nog versterkt worden en onvermijdelijk schade toebrengen aan lagers en afdichtingen.

Slecht onderhoud

Slecht onderhoud, ten slotte, is ook een belangrijke bron van trillingen. Voornamelijk smeerproblemen vallen hieronder, zoals smeren met de verkeerde olie, te veel smering of te weinig smering. Ook te weinig frequent onderhoud blijkt nog vaak voor te komen, zeker bij moeilijk bereikbare pompen.

Ultrasone inspectie

Storingen kunnen zich uiten in trillingen, maar ook in de emissie van ongewenst geluid. Dat geluid bevindt zich evenwel niet altijd in het voor de mens hoorbare spectrum. Met ultrasone meetapparatuur kan dit wel gedetecteerd worden en kunnen er problemen gedetecteerd worden. Problemen zoals stroomdoorgang bij installaties met frequentieregelaars, lagerschade, smeringsproblemen en defecte kleppen, filters en afsluiters kunnen zo aangepakt worden.

METING

Het meten van trillingen kan ingebed worden in een conditionmonitoringproces om zo preventief te kunnen ageren, maar kan evengoed als diagnose-instrument gebruikt worden. De meting kan continu gebeuren of periodiek. Een continumeting heeft het grote voordeel dat patronen over langere tijd gedetecteerd worden, wat bij een periodieke meting niet het geval is. Het meetproces zelf is relatief eenvoudig, het is vooral de analyse die ervaring en expertise vereist.

Meeteenheden

Een trilling heeft drie eigenschappen: de frequentie, de amplitude en de fase. Indien je trillingen meet, dan kun je dezelfde trillingen meten als verplaatsing in functie van de tijd, snelheid of versnelling. In theorie geven deze drie grootheden dezelfde informatie, maar afhankelijk van de frequentie die je meet, zal een pompprobleem duidelijker tot uiting komen in de verplaatsing, snelheid of acceleratie.

Trillingsspectrum

De meeste meetapparatuur is uitgerust met een versnellingsopnemer. Daarmee kunt u drie eenheden meten: de versnelling a in mm/s² (acceleratie), de snelheid v in mm/s (velocity) en de verplaatsing d in mm (displacement). In de grafieken ziet u een typisch trillingsspectrum van een machinetrilling waarbij de amplitudepieken uitgezet worden in functie van hun frequentie. De drie grafieken hierboven geven het trillingsspectrum weer op identieke meetlocaties en op hetzelfde tijdstip, maar de grafiek bovenaan is een spectrum in acceleratie (versnelling), de middelste in velocity (snelheid) en de onderste in displacement (verplaatsing). Het is duidelijk te zien dat de laagfrequente pieken het best te zien zijn in het verplaatsingsspectrum, terwijl de pieken op hogere frequentie het best te zien zijn in de versnelling.

In principe zijn alle amplitudepieken te zien in de drie spectra. Zij geven dus alle drie dezelfde betrouwbare informatie weer. Er is namelijk een eenvoudige wiskundige relatie tussen de curven, zodat elke waarde, behorend bij een frequentie in het ene spectrum, omgerekend kan worden naar een waarde voor dezelfde frequentie in een ander spectrum. De drie gemeten meetwaarden zijn dus uitingen van hetzelfde fenomeen. Binnen het frequentiebereik dat een goed beeld geeft van courante machineproblemen (doorgaans is dat van ca. 10 hertz tot 1.000 hertz), geeft een spectrum in snelheid (middelste grafiek) het best de frequentiecomponenten in dit bereik weer. In dit geval is het ook zo dat een relatief kleine verandering in de frequentiecomponent het totale trillingsniveau in snelheid het meest beïnvloedt. De meeste componenten in de andere spectra (versnelling en verplaatsing) moeten veel meer veranderen voor dit merkbaar wordt in het totale niveau. De conclusie is dat in het algemeen de meeteenheid die het meest vlakke spectrum oplevert, het 'gevoeligst' is voor een vroege detectie van defecten. Meestal is dit snelheid, soms versnelling - vooral waar hoge frequenties van belang zijn. Als daarentegen bekend is dat vooral lage frequenties bewaakt moeten worden, dan kiest men verplaatsing.

Uitzonderingen

Er zijn evenwel enkele uitzonderingen: in bepaalde toepassingen genereren lagerschades te weinig trillingsenergie om een betrouwbare detectie in het frequentiespectrum toe te laten. Dat is het geval bij machines met een aanzienlijke massa en stijfheid, en machines met lage toerentallen. In dergelijke gevallen wordt een methode van hoogfrequente enveloptechniek toegepast, waardoor de lagerschade wel hoogfrequente trillingen genereert. Die trillingen zijn echter meestal alleen meetbaar nabij het defecte lager en zijn van zeer korte duur.

TRILLINGSGEDRAG VAN EEN POMP

Het trillingsgedrag van centrifugaalpompen is relatief eenvoudig, omdat het aantal frequentiecomponenten in het trillingsspectrum doorgaans beperkt is. In veel gevallen is dat er slechts één, de onbalansfrequentie. Om die frequentie te bepalen, volstaat het om het toerental van de pomp om te zetten in het aantal toeren per seconde. Bij een pomp met een toerental van 2.400 r/min. zal de onbalansfrequentie zich dus op 40 Hz in het spectrum bevinden. Ook kan men een frequentie aantreffen die haar oorsprong vindt in de draaibeweging van de schoepen. 

De formule om die zogenaamde schoeppasseerfrequentie (uitgedrukt in Hz) te vinden, is het aantal schoepen vermenigvuldigd met het toerental rpm. 

CORRECTE INTERPRETATIE MEETDATA LEIDT TOT EFFICIENTIE

De positieve gevolgen van een trillingsanalyse zijn zeer divers. U kunt het onderhoud beter afstemmen op de werkelijkheid, want u beschikt over gedetailleerde data. Dat geoptimaliseerde preventieve onderhoud zorgt op zijn beurt voor minder stilstand, wat de productiviteit verhoogt. Ook de levensduur van de machines neemt toe en er is minder voorraad nodig van de wisselstukken.

Last but not least stijgen ook de veiligheid en de ergonomie van het personeel enorm. Bij de meeste roterende machines wordt het trillingspatroon niet gedomineerd door één frequentiecomponent, maar door een combinatie van allerlei invloeden. Dat spectrum kan ontleed worden door een frequentiespectrumanalyser in te zetten. Een specialist kan dan afleiden wat de exacte trillingsbron is en wat een aanvaardbaar trillingsniveau is.

Het trillingsgedrag van bv. een ventilator of centrifugaalpomp is meestal overzichtelijk, waardoor anomalieën eruit gepikt kunnen worden voor verdere analyse. Ook het voorspellen van toekomstig gedrag wordt mogelijk. Met het uitzetten van de niveautoename van een of meerdere frequenties over een aantal periodieke metingen verkrijgt men een tijd-niveaudiagram. De resulterende kromme kan in de tijd worden geëxtrapoleerd, waardoor duidelijk wordt wanneer het trillingsniveau een gevaarlijke waarde zal bereiken, zodat voor die tijd het noodzakelijke onderhoud kan worden gepland.