MĂSURAREA ŞI ANALIZA VIBRAŢIILOR STRUCTURILOR Măsurarea vibraţiilor

Cine produce vibraţiile? Principala cauză: efectele dinamice, urmate de toleranţele tehnologice, de jocuri, de tipul contactelor dintre subansamble şi nu în ultimul rând de masele neechilibrate aflate în mişcare de rotaţie. Adesea, vibraţii de intensitate mică, care cu uşurinţă trec neobservate, pot excita prin fenomenul de rezonanţă alte părţi ale structurii, amplificând la valori mari vibraţiile şi zgomotele. Indiferent că este vorba de micşorarea nivelului vibraţiilor şi zgomotelor maşinilor sau de aspectele pozitive de utilizare ale fenomenelor vibratoare, cerinţa fundamentală constă în priceperea de a obţine, prin măsurare şi analiză, o descriere cât mai exactă a vibraţiei.

Ce este vibraţia? Este o mişcare de oscilaţie raportată la o poziţie de referinţă. Frecvenţa vibraţiei, măsurată în hertz (Hz) reprezintă numărul de mişcări ciclice complet efectuate într-o secundă. Mişcarea de vibraţie poate avea o singură componentă, la o anumită frecvenţă – ca de exemplu în cazul diapazonului, iniţial lovit şi apoi lăsat liber să vibreze, sau mai multe componente existente simultan dar la frecvenţe diferite – ca de exemplu mişcarea pistonului într-un motor cu ardre internă. Descompunerea semnalului vibrator în componentele de bază din punct de vedere ale frecvenţelor acestora poartă numele de analiză în frecvenţă şi reprezintă baza oricărui proces de diagnoză care foloseşte măsurarea vibraţiilor. Atunci când se face o analiză în frecvenţă a unei maşini, de regulă se găsesc componente a căror frecvenţă este strict legată de frecvenţa fundamentală, cea care corespunde mişcării fundamentale a componentelor maşinii. Astfel, folosind analiza în frecvenţă se pot determina sursele de vibraţii nedorite.

Cuantificarea nivelului vibraţiei Amplitudinea vibraţiei, este parametrul care descrie intensitatea vibraţiei, şi poate fi cuantificat în diverse moduri: Valoarea vârf-vârf este valoarea care indică extensia maximă a formei de undă, o cantitate necesară când, de exemplu, deplasările unor părţi componente ale maşinii în momentul vibraţiei pot lua valori critice corespunzătoare unor tensiuni sau deplasări maxime admise. Valoarea vârf este în particular folosită în cazul mişcărilor cu o durată relativ scurtă în timp, cum ar fi cazul şocurilor. Dar, aşa cum se poate observa şi din grafic, valoarea vârf este cea care arată nivelul maxim atins, fără a ţine cont de evoluţia în timp a semnalului vibrator. Spre deosebire de cea anterioară, valoarea medie ia în considerare evoluţia în timp a vibraţiei. Cu toate acestea ea nu prezintă interes practic deoarece nu există nici o legătură directă între ea şi vreo cantitate fizică folositoare. Valoarea RMS este cea mai relevantă măsură a amplitudinii vibraţiei pentru că ia în considerare atât variaţia în timp a acesteia, dar, în acelaşi timp, este şi direct legată de energia distructivă a ei:

Acceleraţie. Viteză. Deplasare. Unităţi de măsură Asemănător, aceeaşi mişcare de vibraţie poate fi descrisă prin deplasare, viteză sau acceleraţie şi pentru toţi cei trei parametri forma de undă şi perioada rămân aceleaşi. Deosebirea dintre cei trei parametri constă în existenţa defazajelor dintre formele lor de undă amplitudine-timp. Unităţile de măsură sunt cele universale, din sistemul metric, respectiv m sau mm pentru deplasare, m/s sau mm/s pentru viteză, în timp ce pentru acceleraţie se foloseşte atât m/s2 sau mm/s2, cât şi acceleraţia gravitaţională g, deşi ea nu apare în sistemul ISO, 1 g = 9,81 m/s2.

Ce măsurăm: acceleraţie, viteză sau deplasare? Atunci când semnalul vibraţiei are componente într-un spectru larg de frecvenţe, este importantă alegerea parametrului care descrie mişcarea de vibraţie. Astfel, în timp ce deplasarea accentuază răspunsul la frecvenţe joase, acceleraţia accentuează răspunsul la frecvenţe înalte. Experienţa a arătat că măsurând valori RMS ale vitezei, pe întreg spectrul de frecvenţă, între 10 Hz şi 1000 Hz, aceasta are un spectru relativ constant pe întreg domeniul de frecvenţe şi constituie un bun indicator a intensităţii vibraţiei. Este avantajoasă alegerea acelui parametru al cărui spectru prezintă valori relativ constante pe întreg domeniul de frecvenţe şi care face posibilă efectuarea măsurării pe întreg domeniul dinamic al aparatului de măsură (diferenţa dintre cea mai mică şi cea mai mare valoare care poate fi corect măsurată). Prin natura lor sistemele mecanice prezintă deplasări mari numai în domeniul de joasă frecvenţă şi de aceea, în tehnică, măsurarea deplasării se face într-un număr relativ mic de cazuri. Totuşi sunt situaţii în care măsurarea deplasării este indispensabilă.

Accelerometrul piezoelectric În prezent, accelerometrul piezoelectric este cel mai folosit la măsurarea vibraţiilor, acest lucru datorându-se proprietăţilor sale: îşi păstrează caracteristicile în toate condiţiile de funcţionare; are o bandă largă a frecvenţelor în care se pot face măsurările şi în plus, pe întreaga bandă, domeniul său dinamic prezintă o bună liniaritate; este rezistent şi îşi păstrează proprietăţile în timp; este auto-generator, el neavând nevoie de o sursă de energie exterioară; nu are elemente în mişcare, deci nu se pune problema uzurii; dar poate cea mai importantă proprietate a accelerometrului piezoelectric constă în faptul că mărimea de ieşire este proporţională cu acceleraţia corpului la care a fost ataşat accelerometrul, semnalul electric putând să fie apoi cu uşurinţă integrat, obţinându-se viteza şi deplasarea.

Tipuri de accelerometre

Caracteristicile accelerometrelor sensibilitatea, masa şi domeniul dinamic Este de dorit de a folosi un traductor cu o sensibilitate cât mai mare, care să furnizeze la ieşire un semnal cât mai puternic, dar, din păcate, trebuie făcut un compromis pentru că o sensibilitate mare atrage după sine un accelerometru de masă şi dimensiuni mari. Masa relativ mare a unui accelerometru montat pe o structură uşoară duce la apariţia erorilor de măsură prin modificarea frecvenţelor proprii şi a răspunsului dinamic al structurii respective. Ca o regulă generală, masa traductorului nu trebuie să depăşească o zecime din masa structurii pe care acesta se montează. Alegerea accelerometrului în funcţie de domeniul dinamic trebuie făcută cu atenţie atunci când se măsoară domeniul de joasă frecvenţă (zgomotele electrice induse) sau foarte înaltă frecvenţă (limitarea este dată de către proprietăţile fizice ale accelerometrului, mai exact de rezistenţa lui).

Domeniul de frecvenţă al accelerometrului La majoritatea sistemelor mecanice energia vibraţiei este cuprinsă într-un domeniu relativ îngust, mai exact între 10 Hz şi 1000 Hz. Cu toate acestea există numeroase situaţii în care se fac măsurări până în jurul valorii de 10 kHz, deoarece uneori sunt interesante de studiat şi componentele de înaltă frecvenţă. De aceea, atunci când se alege un accelerometru, utilizatorul trebuie să-l aleagă pe cel a cărui plajă de frecvenţă acoperă plaja de interes. Ca o regulă generală, dacă se alege limita superioară ca fiind valoarea corespunzătoare unei treimi din frecvenţa de rezonanţă, atunci măsurările efectuate peste limita superioară de frecvenţă vor avea erori, dar nu mai mari de +12%.

Evitarea erorilor cauzate de rezonanţa accelerometrului La capătul superior al domeniului de frecvenţă, ca urmare a apariţiei rezonanţei accelerometrului, sensibilitatea acestuia creşte dar semnalul de ieşire din el nu va reprezenta corect mişcarea de vibraţie. Această problemă poate fi rezolvată fie prin alegerea unui accelerometru cu o bandă de frecvenţă de lucru mai mare în domeniul superior de frecvenţe, fie prin utilizarea filtrelor trece bandă, care de regulă se găsesc împreună cu amplificatoarele şi circuitele de integrare în aparatele de măsură, filtre care taie semnalele corespunzătoare frecvenţelor înalte ale rezonanţei accelerometrului. Dacă măsurarea vibraţiei se face în domeniul de joasă frecvenţă, efectele rezonanţei accelerometrului pot fi evitate prin mijloace mecanice simple. De exemplu, o reducre a limitei superioare în domeniul 0,5 – 5 kHz poate fi realizată prin introducerea unui material, de tip cauciuc, între accelerometru şi suprafaţa pe care acesta se montează.

Montarea accelerometrului Accelerometrul trebuie montat astfel încât axa pe care sensibilitatea sa este maximă să coincidă cu direcţia pe care se doreşte să se facă măsurarea. Măsurarea vibraţiei unui obiect dictează şi poziţia punctului de măsură. Exactitatea rezultatelor măsurării vibraţiei este puternic influenţată de corectitudinea montării accelerometrului pe corpul de studiu. Există mai multe metode, cu avantaje şi dezavantaje specifice. Cu cât însă legătura dintre accelerometru şi corp este mai slabă, cu atât se reduce domeniul dinamic al accelerometrului.

Montarea accelerometrului

Influenţa factorilor externi asupra funcţionării accelerometrelor Principalii factori externi care influenţează negativ buna funcţionare a accelerometrelor sunt: umiditatea, variaţiile de temperatură, radiaţiile nucleare, temperatura ambientă, interferenţe magnetice, zgomote puternice, vibraţii transversale. Accelerometrele obişnuite pot tolera temperaturi de până la 250o C. Dacă totuşi accelerometrul trebuie montat pe o suprafaţă a cărei temperaturi depăşeşte 250o C, se recomandă utilizarea unor elemente intermediare, cu proprietăţi de izolare termică, între suprafaţa accelerometrului şi suprafaţa corpului, iar uneori chiar folosirea unor sisteme suplimentare de răcire. Pentru efectuarea de măsurări la temperaturi mai mari de 400o C se folosesc accelerometre cu plăcuţe ceramice piezoelectrice speciale.

Influenţa factorilor externi asupra funcţionării accelerometrelor Uneori, buclele de împământare se închid prin cablurile de conexiune din cauza faptului că aparatul de măsură şi accelerometrul au împământări diferite. Problema se rezolvă dacă se izolează electric accelerometrul în momentul montării lui pe corpul de studiu. Zgomotele triboelectrice sunt adesea induse în cablurile accelerometrelor ca urmare a mişcării mecanice a cablului propriu-zis: încovoierea, compresiunea cablului şi apariţia tensiunilor în regim dinamic duc la modificarea capacităţii acestuia şi implicit a încărcării lui electrice. Problema poate fi evitată prin fixarea cablului de conexiune în zona adiacentă accelerometrului.

Calibrarea accelerometrelor În condiţii normale de depozitare şi utilizare ele nu-şi schimbă caracteristicile cu mai mult de 2% pe o perioada îndelungată de timp. Raportul dintre cele două citiri, de referinţă şi cea necunoscută, este direct proporţional cu raportul sensibilităţilor lor: Marele avantaj al acetui tip de calibator portabil constă în faptul că se pot face verificări ale accelerometrelor înainte de începerea propriu-zisă a măsurărilor.

Captorul de forţă

Ce este analiza în frecvenţă? Analiza în frecvenţă este metoda prin care se pun în evidenţă frecvenţele componente, mai exact spus semnalul global este descompus într-o sumă de frecvenţe, fiecăreia corespunzându-i un anumit nivel al vibraţiei. În analiza în frecvenţă a semnalelor de vibraţie sunt folosite două tipuri de filtre: unul în care lăţimea de bandă este constantă, de exemplu 3 Hz, 10 Hz etc., sau un altul în care lăţimea de bandă reprezintă un procent din valoarea frecvenţei care centrează aceea lăţime de bandă, de exemplu 3%, 10% etc. Dacă interesează curba de răspuns în frecvenţă a unei maşini, structuri mecanice etc. supusă la vibraţii forţate pe un domeniu larg de frecvenţe, se recomandă folosirea filtrului cu procentaj constant şi a unei scări logaritmice a frecvenţelor. Dacă vrem să obţinem o rezoluţie bună în domeniul frecvenţelor înalte, pentru a putea identifica armonicele superioare, se recomandă filtrul cu lăţime constantă şi folosirea scării liniare.

Filtru cu procentaj constant

Instrumente de măsurare a vibraţiilor

Cum folosim rezultatele măsurării vibraţiei? Dacă dorim să facem o inspecţie rapidă a stării de funcţiune a unei maşini, pe un domeniu larg de frecvenţe, se recomandă măsurarea nivelului global RMS şi compararea lui cu valorile publicate în standarde sub formă de tabele sau diagrame. Dacă dorim însă să facem o vibrodiagnoză a unei maşini, atunci trebuie făcută o analiză în frecvenţă detaliată, pentru a pune în corespondenţă frecvenţele corespunzătoare amplitudinilor relativ mari din spectru, cu frecvenţele unor forţe excitatoare din interiorul sau exteriorul maşinii. Amplitudinea vitezei [μm/s] Aprecierea 0 - 127 Extrem de liniştit 127 - 254 Foarte liniştit 254 - 508 Liniştit 508 - 1016 Foarte bun 1016 - 2032 Bun 2032 - 4064 Acceptabil 4064 - 8128 Slab 8128 - 16256 Necorespunzător 16256 - ..... Periculos

Cum folosim rezultatele măsurării vibraţiei?