Hoe trillingsanalyse lagerverzadiging in industriële chillers detecteert

In deze casestudy werd een buitenspoor-lagerdefect op een 1.250-ton (4.400-kW) airconditioning-chiller geïdentificeerd met behulp van commercieel beschikbare draagbare trillingsanalyseapparatuur en software.

De chiller is een single-stage centrifugaal compressor uitgerust met een wrijvlagerschuiflager op het motor-vrije uiteinde en een glijlager op het motor-aangedreven uiteinde. De diagnostische benadering geïllustreerd hier is van toepassing op elke rotatiemachine – pompen, ventilatoren, tandwielen – die wrijvingscontactlagers gebruikt.

Trillingsanalysetools

De afgelopen kwart eeuw zijn trillingsmeettools dramatisch geëvolueerd. Voor de meeste industriële machines blijft een triaxiale accelerometer de sensor van keuze. Hoewel de ruwe uitgang evenredig is met versnelling, wordt het normaal geïntegreerd en uitgedrukt in snelheidseenheden. Alle data in deze case werden verzameld met een triaxiale accelerometercluster, geïllustreerd in Figuur 2.

Figuur 1. Chiller met de trillingstestlocatie op de motorlagerbehuizingen.

Figuur 2. Schets van een triaxiale accelerometercluster (links) dat met een bout gemonteerd is op de bronzen schijf-montageplaat (rechtsonder). Het cluster bevat drie accelerometers, elk wederzijds loodrecht op de anderen. Trillingsdataverzameling wordt geactiveerd met een barcode die de datacollector automatisch configureert, opneemt en opslaat.

De montageplaat is rigide verbonden met de motorlagerbehuizing, en het triaxiale cluster is boutgemonteerd, wat gelijktijdige verzameling van alle drie assen mogelijk maakt.

De barcode-gebaseerde setup garandeert herhaalbare, nauwkeurige dataverzameling, ongeacht wie de test uitvoert. Consistente operatieomstandigheden produceren consistente data wanneer de machine’s mechanische toestand onveranderd blijft.

Signaalverwerkingskeuzes variëren met het gewenste detail. Routine voorspellende-onderhoudsprogramma’s verzamelen typisch twee datatypes:

Algehele niveau: Een breedband trillingsmeting die de totale amplitude over een breed frequentiebereik vertegenwoordigt. Het is goedkoop om te verzamelen, verwerken en trenden.

Smalle band: Met een Fast Fourier Transform (FFT) wordt het trillingssignaal ontbonden in discrete frequenties, weergegeven als een 2D spectrumplot van amplitude versus frequentie. In dit geval bevat elk spectrum 800 discrete pieken, wat fijne frequentieresolutie biedt.

Trillingsacceptatiecriteria

Welk trillingsniveau is acceptabel voor een 1.250-ton (4.400-kW) chiller? De fabrikant hanteert een pass/fail breedbandspecificatie van 0,25 in/s (piek). Acceptatielimieten worden meestal uitgedrukt als absolute of relatieve criteria.

De IRD General Machinery Vibration Severity Chart, samengevat in Tabel 1, is een wijd gebruikte absolute referentie. Elke conditieband is gescheiden door een factor twee in snelheid, wat overeenkomt met een 6-dB verandering in VdB.

Tabel 1. IRD General Machinery Vibration Severity Chart

Tabel 1. Het IRD-diagram biedt een afgestuft overzicht van machineconditie voor frequenties tussen 1,6 en 1.667 Hz, toepasbaar op de meeste rotatieende apparatuur.

Absolute criteria zijn voldoende voor acceptatietesten, maar voorspellend onderhoud vereist gevoeligere, relatieve criteria. Relatieve limieten worden afgeleid door trillingsspectra van verschillende identieke machines onder gelijke belasting te gemiddelen. Voor deze studie werden spectra van 12 identieke chillers gemiddeld. De bronzen schijfplaten waren identiek gemonteerd, en data werden verzameld met elke chiller draaiende op ongeveer 80% van de nominale belasting.

Na handmatige review werden baselinespectra vastgesteld en standaarddeviaties berekend. Een „gemiddelde + 1 σ” masker werd gegenereerd. Statistisch gezien zouden ongeveer 85% van de trillingsamplitudes onder dit masker moeten vallen. In tegenstelling tot leverancier-gedefinieerde pass/fail-limieten, past deze relatieve benadering acceptabele bereiken aan de specifieke apparatuur aan.

Figuur 3. Relatieve acceptatiecriteria voor de 1.250-ton chiller, gegenereerd uit 12 identieke eenheden. Het blauwe spectrum is het gemiddelde; de rode curve is het gemiddelde + 1 σ. Voor vergelijking is het IRD Severity Chart overgelegd.

Figuur 4. Baselinedata van twee faciliteiten: Plant A (bovenste zes spectra) en Plant B (onderste zes). Elke plant heeft 18 identieke chillers. Plant B’s draaisnelheid (2.982 rpm) weerspiegelt een 50-Hz netwerkspanning typisch voor Europa. De data vertegenwoordigen het vrije-einde motorlager.

Anti-frictielagerproblemen

Lagerfouten zijn onder de meest voorkomende problemen die gedetecteerd worden door trillingsanalyse. Vroegtijdige defecten manifesteren zich als trillingscomponenten op frequenties die geen veelvouden zijn van de asdraaisnelheid. Deze non-synchrone frequenties worden bepaald door lagergeometrie en kunnen benaderd worden met de volgende regels:

Ball Pass Frequency Outer Race (BPFO) = # rollers × as-snelheid × 0,4

Ball Pass Frequency Inner Race (BPFI) = # rollers × as-snelheid × 0,6

Fundamental Train Frequency (FTF) = as-snelheid × 0,4

De fabrikant specificerde een SKF 7318-lager. De tabel toont buitenspoor- en binnenspoor-balpasfrequenties van 4,9×M en 7,1×M respectievelijk, wat een 12-elementenlager bevestigt. Naarmate slijtage voortschrijdt, verschijnen harmonieken (gehele veelvouden) van deze balpasfrequenties in het spectrum. Afhankelijk van defecttype, kunnen 1×M-zijbanden ook aanwezig zijn. Ernstige slijtage verhoogt de hoog-frequente ruisvloer tussen 70×M en 100×M.

Gebruikelijke diagnostische strategieën

Accurate lagerverzadigingsdetectie vereist een consistente dataverzamel- en analysemethodologie. Breedbandmeters missen vaak vroege slijtage, wat beperkte waarschuwing biedt voor catastrofale storing. Hoog-frequente schok- of ultrasoonmethoden kunnen vroege slijtage detecteren, maar missen lagere-frequentiefouten zoals unbalance of misalignement.

Triaxiale smalle-band spectrale analyse met relatieve acceptatiecriteria biedt betrouwbare vroege detectie en kan een breed scala aan fouten diagnosticeren – unbalance, misalignement, wijkerruimte, losheid, resonantie. Deze studie gebruikt die benadering.

De smalle-band dataset omvat twee hoge-resolutie (800 lijnen) triaxiale spectra van een enkel punt op een rigide lagerbehuizing. Het lage-bereik spectrum dekt 0-10 orders van as-snelheid, wat fundamentele lagertonen vastlegt. Het hoge-bereik spectrum strekt zich uit tot 0-100 orders, wat lagertoon-harmonieken en de hoog-frequente ruisvloer onthult. Hoewel uitgebreid, stelt de barcode-gebaseerde setup snelle, herhaalbare dataverzameling in, en is PC-verwerking snel en geautomatiseerd.

Het foutmodel voor lagerdefecten omvat vier sleutelindicatoren:

1. Harmonische reeks pieken op een non-synchrone fundamentele frequentie.
2. 1×M en/of FTF zijbanden rond die pieken.
3. Verhoogde hoog-frequente ruisvloer.
4. Harmonische reeks bij as-draaisnelheid door lagerlosheid.

Trillingsanalyse: Mens vs. Computer

Het volume aan smalle-banddata dat nodig is voor accurate diagnose, vereist computer-gebaseerde verwerking. Een personal computer, uitgerust met een expert-systeem, kan de volgende stappen in seconden uitvoeren:

• Spectra normaliseren ten opzichte van as-snelheid.
• Amplitudes van sleutel-dwingende frequenties en bijkomende pieken extraheren.
• Het foutmodel toepassen om defectpatronen te identificeren.
• Ernst kwantificeren op basis van de prominentie van het patroon.

Deze logica-regels werden gecalibreerd door geautomatiseerde diagnoses te vergelijken met expertanalyses van een grote machinepopulatie, wat garandeert dat de computer’s conclusies een ervaren trillingsanalist’s oordelen weerspiegelen.

Figuur 5 toont de tekst-gebaseerde diagnostische rapportage gegenereerd door het expert-systeem voor Chiller 4.

Figuur 5. Computer-gegenereerde diagnostische resultaten voor Chiller 4.

Handmatige review van spectrale data

Figuur 6 presenteert de motor-vrije-einde data verzameld op 25 maart voor Chiller 4. Het gemiddelde + σ masker (rood) is overgelegd voor vergelijking. De horizontale as is geschaald in „orders”, waar 1 order gelijk is aan één asrotatie.

Prominente non-synchrone pieken verschijnen op 4,9×M en 7,1×M in de axiale lage-bereik data – precies de BPFO en BPFI voor het motorlager. In de hoge-bereik spectra bevestigen harmonieken met 4,9×M spacing de BPFO-harmonische reeks. De hoog-frequente ruisvloer komt overeen met het σ-masker, wat aangeeft dat slijtage aanwezig is maar nog niet kritiek.

Figuur 6. Triaxiale trillingsspectra voor het motor vrije-einde lager op Chiller 4. Links: lage-bereik data; rechts: hoge-bereik data. Gemerkte pieken tonen een 4,9×M BPFO-harmonische reeks.

Prognostiek

Eenmaal een lagerfout bevestigd, is de volgende vraag resterende levensduur. Een deskundige analist stelt oordeel uit totdat meerdere datasets een trend onthullen. Het expert-systeem berekent een ernstscore op basis van drie factoren:

1. Het aantal ondersteunende pieken.
2. De mate waarin elke piek het criterium overschrijdt.
3. De absolute amplitude van elke piek.

Ernstscores worden gemapt op een schaal van licht, matig, ernstig en extreem. In de trendplot (Figuur 7) heeft de lagerverzadiging zich gestabiliseerd op een laag-ernstig niveau.

Figuur 7. Expert-systeem trendplot voor Chiller 4.

De lagerslevensduur wordt grotendeels gedicteerd door belasting; huidige data tonen geen verergering over het afgelopen jaar. Trillingsanalyse levert kwantificeerbaar bewijs van lagergezondheid, wat proactieve beslissingen mogelijk maakt. Naarmate slijtage escalereert, zal het systeem de ernstscore dienovereenkomstig verhogen.

Tijdens een eerdere servicebezoek gebruikte een fabrikantingenieur een algehele trillingsmeter en concludeerde dat het lager in orde was. De fabrikant’s 0,25 in/s pieklimiet was waarschijnlijk voldaan, wat een cruciale beperking van breedbandmetingen voor voorspellend onderhoud illustreert – ze missen subtiele, non-synchrone handtekeningen zoals BPFO-harmonieken.

Conclusie

Om lagerlevensduur te maximaliseren, moeten faciliteitsingenieurs elke machine continu monitoren tegen zijn model-specifieke gemiddelde + 1 σ baseline. Het expert-systeem’s ernstscore biedt een consistente, objectieve trend die tijdige onderhoudsbeslissingen informeert. Wanneer ernst het extreme niveau benadert, moet een lagervervanging gepland worden, en het verwijderde lager geïnspecteerd om de diagnostische lus te sluiten.

Over Azima DLI

Azima DLI is een toonaangevende aanbieder van voorspellende machineconditiemonitoring en analyse, die betrouwbare, schaalbare oplossingen levert die voldoen aan klanten’s hoge standaarden voor uptime. Hun WATCHMAN Reliability Services combineren flexibele implementatie, bewezen diagnostische software en diepe analytische expertise om duurzame, kosteneffectieve conditie-gebaseerde onderhoudsprogramma’s te leveren. Met hoofdkantoor in Woburn, Massachusetts, en een wereldwijde aanwezigheid in de VS, Azië-Pazific, Centraal-Amerika, Europa en Zuid-Amerika, helpt Azima DLI klanten assetbeschikbaarheid en productiviteit te maximaliseren. Voor meer informatie, bezoek www.azimadli.com.