لرزش سنج و ارتعاش سنج

معرفی ارتعاش سنج و لرزش سنج
لرزش یک پدیده مکانیکی است که در ماشین آلات در حال کار و ساختارهای متحرک بوجود می آید و ربطی به شرایط سالم بودن آنها ندارد. لرزش می تواند بخاطر منابع مختلفی چون شافت های در حال چرخش، چرخ دنده ها، یاتاقان ها، میدان الکتریکی چرخان، جریان سیالات، احتراق، رزونانس ساختاری و چرخش های زاویه ای بوجود آید. بدلیل حضور همه جانبه این پدیده، استفاده از آن برای بررسی شرایط عملیاتی و حالت ماشین آلات و ساختارهای در حال چرخش اهمیت زیادی دارد.
لرزش می تواند به شکل های مختلف چون جابجایی، سرعت و شتاب بیان شود. جابجایی توصیف کننده فاصله ای است که نقطه اندازه گیری جابجا شده است، سرعت مشخص می کند که این جابجایی چقدر سریع بوده است و شتاب نیز نیازی به توضیح ندارد. این سه نوع لرزش بطور گسترده استفاده می شوند، مخصوصا شتاب که وسیع ترین محدوده فرکانس را پوشش می دهد و منحصرا برای آنالیز نقص دینامیکی استفاده می شود.
لرزش را چگونه اندازه گیری می کنید؟
لرزش را می توان از طریق سنسورهای مختلف اندازه گیری کرد. بر اساس انواع مختلف لرزش، سنسورهایی طراحی شده اند تا جابجایی، سرعت و شتاب را با فناوری های مختلف اندازه گیری کنند مانند سنسورهای پیزوالکتریک (PZT)، سنسورهای میکروالکترومکانیکی (MEMS)، لرزش سنج لیزری داپلر و بسیاری دیگر.

سنسورهای PZT که رایج ترین نوع سنسورهای استفاده شده اند، زمانی که تغییر شکل می دهند ولتاژهایی را تولید می کنند. سیگنال های ولتاژ را می توان به حالت دیجیتالی درآورد تا معرف لرزش باشند. زمان انتخاب سنسورهای لرزش مناسب، محدوده دینامیک/شدت لرزش و ماکزیمم محدوده/پهنای باند فرکانس به همراه سایر شرایط عملیاتی دیگر مانند دما، رطوبت و سطح pH باید درنظر گرفته شوند.

نصب سنسور برای اطمینان از ثبت داده های باکیفیت حیاتی است. روش پیشنهادی برای نصب سنسور بدین گونه است که سنسور را روی یک سطح صاف و تمیز بر روی دستگاه قرار دهیم. این کار باعث می شود تا مطمئن شویم طیف فرکانس گسترده ای را داریم. زمانی که این کار انجام شدنی نیست، گیره های مغناطیسی، واکس یا چسب می توانند جایگزین شدت لرزش و فرکانس های درنظر گرفته شده باشند.

سیگنال های لرزش معمولا کمتر از 20 کیلوهرتز هستند، به جز برای رزونانس های لرزش خاص که می توانند از این مقدار فراتر بروند. در عمل، نرخ نمونه برداری باید با دقت انتخاب شود تا مطمئن شویم پهنای باند شامل فرکانس های مورد نظر ما را خواهیم داشت. علاوه براین طول ثبت شده برای یک اندازه گیری باید حداقل چندین دوره از کمترین سرعت دستگاه ها باشد.

ارتعاش یک پدیده مکانیکی است که به موجب آن نوسانات در یک نقطه تعادلی رخ می دهند. این کلمه از واژه یونانی vibrationem گرفته شده که به معنی لرزش یا گرداندن است. این نوسانات ممکن است تناوبی باشند مانند حرکت یک آونگ یا مانند جابجایی یک تایر روی جاده شنی بصورت تصادفی باشند.
در بسیاری از موارد لرزش یا ارتعاش نامطلوب است و باعث اتلاف انرژی و ایجاد صدای ناخوشایند می شود. برای مثال لرزش موتورها، موتورهای الکتریکی یا هر وسیله مکانیکی در هر حال کار معمولا ناخوشایند است. چنین لرزش هایی می توانند بخاطر متعادل نبودن قسمت های چرخنده، اصطکاک نامساوی روی قطعات یا قفل شدن دندانه چرخ دنده باشد. طراحی مناسب معمولا باعث می شود تا ارتعاشات ناخواسته حداقل شوند.

مطالعات صدا و لرزش بسیار به هم نزدیک بوده و مرتبط هستند. صدا یا امواج فشار توسط ساختارهای مرتعش (برای نمونه تارهای صوتی) بوجود می آید که این امواج فشار می توانند باعث ایجاد لرزش در ساختارها (مانند پرده گوش) شوند. از این رو کاهش نویز غالبا با مشکلات مربوط به لرزش سروکار دارد.
انواع لرزش
زمانی که یک سیستم مکانیکی به گونه ای تنظیم شده که اجازه دارد آزادانه بلرزد آنگاه لرزش آزاد رخ می دهد. عقب بردن یک کودک نشسته بر روی تاب و رها کردن آن یا ضربه زدن به یک دیاپازون و زنگ خوردن آن مثال هایی از این نوع لرزش هستند. سیستم مکانیکی در یک یا چند فرکانس طبیعی خود می لرزد و سپس به حالت بی حرکت درمی آید.

زمانی که یک عامل آشفتگی متغیر با زمان (بار، جابجایی یا سرعت) به یک سیستم مکانیکی اعمال شود لرزش اجباری بوجود می آید. این آشفتگی می تواند یک ورودی تناوبی و حالت پایا (ورودی گذرا) یا یک ورودی تصادفی باشد. ورودی تناوبی می تواند یک آشفتگی هماهنگ یا ناهماهنگ باشد. مثال هایی از این نوع لرزش شامل لرزش ماشین لباسشویی بدلیل عدم تعادل، لرزش ناشی از موتور یا جاده ناهموار حین سفر و لرزش ساختمان حین وقوع زلزله می باشد. برای سیستم های خطی، فرکانس لرزش حالت پایای ناشی از بکاربردن یک ورودی تناوبی و هماهنگ با فرکانس نیرو یا جابجایی اجباری برابر است و شدت لرزش به سیستم مکانیکی واقعی وابسته است.

زمانی که انرژی یک سیستم مرتعش به تدریج توسط اصطکاک یا مقاومت های دیگر از بین می رود به آن لرزش میرا گفته می شود. ارتعاشات به تدریج کم می شوند یا فرکانس یا شدت آنها تغییر می کند تا اینکه سیستم در حالت تعادلی خود قرار می گیرد. گرفته شدن لرزش خودرو توسط کمک فنرهای آن نمونه ای از این نوع لرزش است.
تست لرزش
این تست با اعمال یک تابع وادارنده به یک ساختار همراه است که معمولا نوعی شیکر یا لرزاننده در آن وجود دارد. یک DUT (وسیله تحت تست) نیز به تناوب به میز شیکر وصل است. تست لرزش با هدف بررسی نحوه پاسخ یک وسیله تحت تست (DUT) به یک لرزش تعریف شده انجام می شود. پاسخ اندازه گیری شده ممکن است تابعی از محیط لرزش، عمر خستگی، فرکانس های هم نوا یا صدای بلند و تق تق (NVH) باشد. تست این صدای تق تق با یک نوع شیکر آرام انجام می شود که حین کار صدای بسیار کمی ایجاد می کند.

برای فرکانس های نسبتا پایین (کمتر از 100 هرتز) از شیکرهای الکتروهیدرولیکی استفاده می شود. برای فرکانس های بالاتر (5 هرتز تا 2000 کیلوهرتز) نیز از شیکرهای الکترودینامیک استفاده می شود. معمولا یک یا چند ورودی یا نقطه کنترل واقع روی سمت DUT یک گیره لرزان در یک شتاب مشخص نگه داشته می شوند. سایر نقاط پاسخ ممکن است سطوح لرزش بالاتر (رزونانس) یا پایین تری (غیررزونانس یا میرا) نسبت به نقاط کنترل را تجربه کنند. برای جلوگیری از پرسروصدا بودن سیستم یا کاهش کرنش روی قسمت های خاص بدلیل حالات مختلف لرزش ناشی از فرکانس های لرزش خاص معمولا ترجیح داده می شود که لرزش غیررزونانسی داشته باشیم.

رایج ترین انواع تست لرزش که توسط آزمایشگاه ها انجام می شوند لرزش تصادفی و سینوسی هستند. تست های سینوسی (یک فرکانس در هر زمان) برای بررسی پاسخ ساختاری وسیله تحت تست (DUT) انجام می شوند. در اوایل انجام تست های لرزش، دستگاه های کنترل کننده لرزش فقط محدود به کنترل حرکت سینوسی بودند و به همین دلیل تنها تست های سینوسی انجام می شد. بعدا کنترل کننده های پیشرفته تر آنالوگ و سپس دیجیتال عرضه شدند که قادر بودند کنترل تصادفی (تمامی فرکانس ها به یکباره) فراهم کنند. یک تست تصادفی (تمامی فرکانس ها در یک زمان) معمولا یک محیط واقعی مانند ورودی های جاده به یک اتوموبیل در حال حرکت را دقیق تر کپی برداری می کند.

اکثر تست های لرزش در یک “محور DUT منفرد” در هر زمان انجام می شوند، اگرچه بیشتر لرزش های دنیای واقعی بطور همزمان در چندین محور بوجود می آیند. روش تست MIL-STD-810G که در سال 2008 عرضه شد یک روش تست چندگانه بود. از گیره تست لرزش برای اتصال DUT به میز شیکر استفاده شد تا محدوده فرکانس تست لرزش را پوشش دهد. طراحی یک گیره تست که پاسخ دینامیک (مقاومت ظاهری مکانیکی) مونتاژ واقعی استفاده شده را کپی کند بسیار دشوار است. به همین دلیل برای اطمینان از قابل تکرار بودن تست های لرزش، گیره آنها به نحوی طراحی می شوند که در محدوده فرکانس تست رزونانس آزاد داشته باشند. معمولا برای گیره های کوچکتر و محدوده فرکانس پایین تر، طراحان می توانند از گیره ای استفاده کنند که در محدوده فرکانس تست هیچ گونه رزونانسی نداشته باشد. این حالت با بزرگ شدن DTU و افزایش فرکانس تست دشوارتر می شود. در این حالت ها استراتژی های کنترل چندین نقطه می توانند برخی از رزونانس هایی که ممکن است در آینده وجود داشته باشند را کاهش دهند.

برخی از روش های تست لرزش مقدار هم شنوی یا کراس تاک (جابجایی یک نقطه پاسخ در یک مسیر دو به دو عمود بر هم به محور تحت تست) مجاز برای گیره تست را محدود می کنند. دستگاه های مخصوص ردیابی یا ثبت لرزش ها را ارتعاش نما می گویند.
آنالیز لرزش و ارتعاش
این آنالیز فرایندی است که شدت و الگوی سیگنال های لرزش را درون یک قطعه، دستگاه یا ساختار بررسی می کند تا لرزش غیرنرمال را شناسایی کند و شرایط کلی شیء مورد تست را ارزیابی کند.
آنالیز لرزش چگونه کار می کند؟
همان طور که گفته شد آنالیز لرزش پروسه ای است که شدت لرزش را بررسی می کند و الگوها را در سیگنال های لرزش ارزیابی می کند. این آنالیز روی شکل موجی زمان سیگنال لرزش و هم چنین طیف فرکانس که با اعمال الگوریتم تبدیل فوریه بر روی شکل موجی زمان بدست می آید، انجام می شود.
آنالیز دامنه زمان که به ترتیب شکل موجی لرزش ثبت شده است نشان دهنده زمان و چگونگی شدت لرزش های غیرنرمال رخ داده است که با مطالعه پارامترهای موثری چون جذر میانگین مربعات (RMS)، انحراف استاندارد، بزرگی پیک، کشیدگی، فاکتور برآمدگی انحنا، کجی و بسیاری دیگر حاصل می شود. این آنالیز قادر به ارزیابی شرایط کلی نمونه مورد نظر است.

در کاربردهای واقعی و خصوصا در ماشین آلات چرخان، ادغام آنالیز دامنه زمان با آنالیز طیف فرکانس بسیار مطلوب است. یک دستگاه پیچیده که دارای قطعات زیادی است لرزش های زیادی را تولید می کند که ترکیبی از لرزش های ناشی از هر قطعه درحال چرخش است. بنابراین استفاده از شکل موجی زمان به تنهایی برای ارزیابی شرایط قطعات مهم مانند چرخ دنده، شافت و یاتاقان در یک تجهیز بزرگ در حال چرخش بسیار دشوار است. آنالیز فرکانس شکل موجی زمان را تجزیه می کند و تکرارپذیر بودن الگوهای لرزش را توصیف می کند به نحوی که مولفه های فرکانس مرتبط با هر قطعه به راحتی بررسی شود. علاوه براین، تکنیک تبدیل سریع فوریه (FFT) آنالیز فرکانس سریع و موثر را تسهیل می کند و طراحی فیلترهای نویز دیجیتال گوناگون را نیز راحت می کند.