Endüstriyel tesisler ve makinelerden otomotiv uygulamalarına kadar birçok mühendislik dalında elektrik motorları kullanılmaktadır. Diğer tüm dönen makinelerde olduğu gibi titreşim ve gürültü endişe kaynağıdır.
Elektrikli tahrik sisteminin ortaya çıkışı ve yaygınlaşması, mühendislerin içten yanmalı motorlarda genellikle göz ardı ettiği gürültü sorunlarını öne çıkarmaktadır. Benzinli motor gürültüsü bu ‘yeni’ sesleri bastırmaktadır. Optimum elektrik motoru verimliliğine ulaşmak için titreşim araştırması ve frekansların belirlenmesi gerekmektedir.
Modern mühendislikte, dönen makineler genellikle hareket üretmek için kullanılır. Doğası gereği, dönen makinelerin sürekli çalışması titreşimler üretir. Titreşim olayları makine performansını etkiler ve makine arızasına yol açabilir. Titreşimi neyin oluşturduğunu ve nasıl azaltılacağını bilmek, başarılı veya başarısız bir ürün sunmak arasındaki farkı yaratabilir.
Kabul edilebilir koşullar altında bile, herhangi bir makine titreşim üretir. Bu titreşimlerin çoğu, makinenin çalışması sırasında meydana gelen periyodik olaylarla doğrudan ilgilidir, örneğin;
- Bir motor milinin dönüşü,
- Dişli dişlerinin birbirine geçmesi,
- Dönen elektrik alanları vb.
Bu olayların meydana geldiği frekans, titreşimlerin kaynağını gösterebilir. Frekans analizi birçok güçlü teşhis tekniğinin temelini oluşturur.
Bununla birlikte, bu çalışmanın amaçları esasen iki yönlüdür;
- Plastik bir plaka üzerine monte edilmiş ve yaylarla yere bağlanmış bir elektrik motorunun incelenmesi. Dönme hızı arttıkça ve rezonans frekanslarını geçtikçe motorun titreşim davranışının gözlemlenmesi
- Hangi frekansların sistem için en kritik olduğunun belirlenmesi ve olası titreşim amplifikasyon kaynaklarının tanımlanması
Mertebe Analizi (Order Tracking)
Mertebe analizi, özellikle makineler farklı hızlarda çalıştığında, dönen veya pistonlu makinelerin çalışma durumunu belirlemek için mükemmel bir araçtır.
Dönen makineleri analiz ederken, iki özellik özellikle ilgi çekicidir, bu iki ölçülebilir nicelik:
- Genlik veya yoğunluk: Nesnenin ne kadar hareket ettiği
- Frekans: Nesnenin ne kadar hızlı hareket ettiği.
Bu hareketi tanımlamak için kullanılan terimler frekans, genlik ve ivmedir. Titreşim analizinde her zaman olduğu gibi, yapısal rezonanslar (modlar) titreşimleri güçlendirir.
Dönen makinelerde, doğrudan veya dolaylı olarak dönüşün kendisinin neden olduğu titreşimler de ilgi çekicidir. Herhangi bir rezonans amplifikasyonu olmaksızın büyük olabilirler. Mekanik dengesizlikler, aks deformasyonu veya yanlış hizalama, yatak yuvalarındaki kusurlar veya dişlilerdeki kusurlu dişler bu tür titreşimlere neden olabilir.
Bu titreşim kaynaklarının her biri, makinenin dönme hızının belirli bir katsayısında titreşim üretir. Dönen makineler, doğal yapı rezonansı ve doğal frekanslarda dönme hızına bağlı titreşim üretebilir. Bunlar genellikle yüksek titreşim seviyelerine ve titreşim sorunlarına neden olur – hatta bir felaket bile meydana gelebilir.
Dönme hızının bir katına mertebe denir. Dönme hızı 1. derece olarak adlandırılır. Dönüş hızının iki katı mertebe 2’dir, vb. Mertebelerin tam sayı olması gerekmez. Mertebeler 2,5 veya 3,938 vb. olabilir.
Mühendisler, dönme hızına bağlı farklı bileşenlerin titreşim veya ses seviyelerine nasıl katkıda bulunduğunu yorumlarken genellikle sıra izleri(order tracks) adı verilen iki boyutlu diyagramlar kullanırlar. Bu diyagramları RPM haritasından hesaplarlar ve RPM’ye karşı bir mertebe bileşeninin RMS (Root Mean Square) değeri hakkında bilgi çıkarırlar.
Titreşim Ölçüm Sisteminin Kurulumu
Ekipman Montajı
Herhangi bir veri elde etmek mümkün olmadan önce, fiziksel sistemi inşa etmek gerekir. Örnek ölçüm için ilk unsur, 1410 RPM nominal hıza sahip üç fazlı bir elektrik motorudur. 220V (50 Hz) ile beslenmektedir ve delta konfigürasyonunda bağlanmıştır.
Vidalar ve somunlar kullanılarak motor plastik bir plaka taban üzerine monte edilmiştir. Motor tabanının altına, dört köşenin yakınına, yine vida ve somunlarla sabitlenmiş dört yay yerleştirilmiştir. Her bir yayın altına, destek yüzeyindeki sürtünmeyi artırmak için kaymayı önleyici bir malzeme bloğu yerleştirilmiştir. Şekil 2, üzerinde ölçümler yapılan nihai sistemi göstermektedir.
Motoru bir invertör cihazına bağlamak rotorun dönüş hızının kontrol edilmesini ve hızlanma ve yavaşlama zamanlamalarının yönetilmesini sağlamıştır.
Titreşim Ölçümü İçin Veri Toplama Sistemi
Elektrik motoru rotorunun dönüşü tarafından üretilen titreşimler, özellikle rezonans frekanslarından uzak olduğunda, küçük bir genliğe sahiptir. Görsel olarak tespit edilmeleri zor olabilir. Normal koşullar altında bir milimetrenin onda biri mertebesinde ve rezonans frekanslarının yakınında bir milimetre mertebesinde titreşim genlikleri gözlemlenmiştir.
Fiziksel sistemlerden yayılan sinyaller analogdur, bilgisayarlar ve hesap makineleri ise ayrık zaman ve genlik sinyalleri ile çalışır. Bu nedenle, ölçüm ve izleme transdüserler ve sinyal amplifikatörleri gerektirir.
Transdüserler fiziksel bir fenomeni analog bir sinyale dönüştüren cihazlardır. Bir amplifikatörün içindeki bir ADC (Analogdan Dijitale Dönüştürücü) daha sonra bu analog sinyali bilgisayar yazılımında daha fazla işlenmek üzere dijital verilere dönüştürür.
Kullanılan çeşitli dönüştürücüler arasında, ivmeleri elektrik sinyaline dönüştüren cihazlar olan ivmeölçerlerle ölçüm yapılması yaygındır. Bu vaka için de bu sistem uygulanarak; özellikle IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric) ivmeölçerler tercih edilmiştir.
Bir IEPE sensörün çıkışı düşük empedanslı bir voltaj sinyalidir, oysa dahili elektroniğe sahip olmayan piezoelektrik sensörler yalnızca bir şarj çıkışı üretebilir. Bir IEPE sensöründe kullanılan amplifikatör bir voltaj amplifikatörü veya bir şarj amplifikatörü olabilir.
Ölçümlerde ayrıca Dewesoft tarafından sağlanan bir KRYPTON dayanıklı EtherCAT veri toplama (DAQ) sistemi kullanılmıştır. Bu temel cihaz ölçümler sırasında birçok önemli konuda yardımcı olmaktadır;
- Sinyal yükseltici: Transdüserlerden gelen çıkış sinyali genellikle zayıftır ve dijital bir formata dönüştürmeden önce ek bir amplifikasyon gerçekleştirmek gerekir.
- Sinyal koşullandırma: Ardından, filtreleme, ek amplifikasyon ve zaman entegrasyonu gibi çeşitli işlemler gerçekleştiren sinyal koşullandırıcı, güçlendirilmiş sinyali işler.
- Kayıt cihazı: KRYPTON veri toplama sistemi, deneysel verileri ölçülmesini ve saklanmasını sağlamaktadır.
- Dijital/Analog dönüştürücü: PC ile sinyal işlemeye izin verdiği için gerekli olmayan ancak yaygın olarak kullanılan bir cihazdır. Transdüserden gelen sinyal, dalga şekli ölçülen miktara karşılık gelen sürekli bir “analog” sinyaldir. D/A dönüştürücü, düzenli zaman aralıklarında sinyalin anlık değerini tespit eder ve bunu ayrık bir sayı kümesine, yani dijital bir sinyale dönüştürür. Bu şekilde çıkış, bir bilgisayar tarafından yönetilebilen ve işlenebilen sayılardan oluşur.
Dönen makineleri analiz ederken, RPM’yi ölçmek için bir dönüş hızı dönüştürücüsü, yani bir takometre kullanılır. Böyle bir dönüştürücü genellikle ya optik ya da endüktiftir.
Bu ölçüm için optik bir takometre sensörü kullanılmıştır. Bu sensör, motorun rotorunun dış kısmına yapıştırılmış yansıtıcı bandı göstermesini sağlayan ayarlı bir desteğe sabitlenmiştir. Bu düzenek, sensörün bantlanmış rotorun takometre lazer ışınını geçtiği süreleri saymasını sağlar. Motorun dönüş sayısını bu şekilde elde edilmiştir.
Aşağıdaki şekilde bu durum için kullanılan ölçüm zinciri gösterilmektedir.
Ölçüm Zinciri
Ölçümler ve Sonuçlar
Hızlanma rampaları
İlk adım olarak, sistemin farklı hızlanma rampaları ile çalışırken nasıl davrandığı gözlemlenmiştir. Sistemin tepkisi üç farklı hızlanma rampasında analiz edilmiştir.
- 5 saniye
- 10 saniye
- 20 saniye.
Elektrik Motoru İçin Hız Rampaları. İnvertör cihazı sayesinde hız değişimi mümkün olmuştur
Uyarma frekansının azaltılması veya artırılması rezonansın meydana geldiği anı ve salınımların buna yakın ulaştığı tepe noktalarını değiştirir. Daha az dik rampalarla, sistemin uyarıma yanıt vermek ve rezonansın etkilerini göstermek için daha fazla zamanı olur. Sonuç olarak, salınımların ulaştığı tepe noktaları daha yüksek olacaktır.
Daha yüksek hız gradyanlarında, sistem uygulanan uyarıma ayak uydurmakta zorlanır. Uyarım çok daha hızlı değiştiğinden, sistem yine de birkaç dakika önceki uyarıma yanıt verecektir. Tepe noktaları daha düşük ivmelere kıyasla daha erken ve daha az yoğunlukta meydana gelir.
Ölçüm sırasında esas olarak dikey salınımlarla ilgilenildiği için, tek eksenli IEPE ivmeölçer sistemin merkezi dikey eksenine mümkün olan en yakın noktaya yerleştirilmiştir.
İvmeölçerler, Krypton veri toplama sistemine bağlanmıştır. Ardından yazılımdaki gerekli ayarlamalar gerçekleştirilmiştir. Bu noktada IEPE olan ölçüm türü, m/s2 olan ölçüm birimi ve örnekleme frekansını 1 kHz olarak seçilmiştir.
Ayrıca kalibrasyon için bir ölçeklendirme faktörü ayarlamak gerekir. Dönüştürücü üreticisi bu değeri sağlar ve veri sayfalarında hassasiyet olarak listeler. Dolayısıyla bu değeri hassasiyet alanında bildirmek yeterlidir. Yazılımda belirtilen alanları vurgulayarak, Şekil 6 ivmeölçerin ayarlanması için arayüzü göstermektedir.
DewesoftX Arayüzünde İvmeölçer Kurulumu
İvmeölçer kanalı kurulduğunda, üç hız rampasının her biri için gerekli veriler de elde edilebilmektedir. Şekil 7, 5 saniye içinde 0 RPM’den 1500 RPM’ye hızlanırken sistemin davranışını göstermektedir.
Salınımlı motorun dikey konumu hakkındaki bilgiler en kullanışlı ve yorumlaması en kolay olanlardır. Bunu elde etmek için, ivme üzerinde çift zamanlı bir entegrasyon gerçekleştirilmiştir. Aşağıdaki şekilde, çift zamanlı entegrasyonun nasıl kurulduğunu ve ürettiği sonuçları göstermektedir.
Sistemin 5 Saniyelik Hız Rampası İçin Yer Değiştirmesi
Sistemin 10 Saniyelik Rampa İçin İvmesi ve Yer Değiştirmesi
Sistemin 20 Saniyelik Rampadaki İvmesi ve Yer Değiştirmesi
Elde edilen sonuçlardan da açıkça görülebileceği gibi, titreşimler iki farklı ivme anında yükselme yaşamaktadır. Yer değiştirme sinyali, iki rezonans frekansın etkilerini ivmeye göre çok daha kolay görülmesini sağlamıştır.
Yer değiştirme sinyalini elde ettikten sonra, Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) kullanarak zaman alanından frekans alanına geçiş yapılmıştır. FFT, bir zaman fonksiyonunu bir frekans fonksiyonuna dönüştürmek için kullanılan matematiksel bir yöntemdir.
FFT, bir sinyali spektral bileşenlerine dönüştürerek sinyalin frekansları hakkında bilgi sağlar. Ölçümde FFT, sistemin rezonans frekanslarının bulunmasına yardımcı olmuştur. Şekil 11, iki rezonans frekansından ilki için kaydedilen en yüksek yer değiştirmedeki üç rampa için FFT’yi göstermektedir.
İlk Rezonans Frekansına Yaklaşırken 5 Saniyelik Rampalar İçin FFT Spektrumları
İlk Rezonans Frekansına Yaklaşırken 10 Saniyelik Rampalar İçin FFT Spektrumları
İlk Rezonans Frekansına Yaklaşırken 20 Saniyelik Rampalar İçin FFT Spektrumları
Aşağıdaki tabloda motorun titreşimleri önemli ölçüde artırdığı frekanslar listelenmiştir. Teknik olarak, rampalar için birinci ve ikinci frekanslar arasında ortaya çıkan üçüncü bir rezonans frekansı mevcuttur.
Ancak, bu üçüncü frekans yatay salınımları artırdı ve ivmeölçer tarafından kolayca algılanamadı. Bu ölçüm için bu durum dahil edilememeye karar verildi. Plakanın kısa kenarına paralel bir transdüser kullanılarak ölçülen yatay salınımlar, tespit edilenlere kıyasla küçüktü.
İlk frekans bir ‘sıçrama’ frekansıdır. İkinci ve üçüncü frekanslar ise iki ana eksen boyunca ‘eğim’ frekanslarıdır.
Mertebe Analizi ve Waterfall Grafikleri
Dikey salınımların analizini takiben, DewesoftX analiz yazılımını kullanılarak motorumuz üzerinde bir mertebe analizi yapılmıştır. Bu analiz, herhangi bir rotor dengesizliği veya başka bir sistem arızası olup olmadığını belirlemeli ve titreşim amplifikasyonuna belirgin şekilde katkıda bulunanları göstermelidir.
Daha önce de belirtildiği gibi, dönen bir makinede karşılaşılan sorunlar, bu sorunların meydana geldiği sıralarla/mertebelerle yakından ilgilidir. Dönen bir makinedeki 1x mertebesindeki olaylar, gerçek motorlarda her zaman mevcut olan bir artık dengesizliği gösterir. 2x mertebesindeki olaylar, tahrik eden ve çalışan makine arasındaki yanlış hizalamayı gösterir.
Ölçüm alınan model oldukça basit olduğundan ve motorun herhangi bir yükle bağlantısı kesildiğinden, en güçlü olarak ilk mertebenin görülmesi beklenir. Bu durum iç dengesizliğin titreşimlerin birincil nedeni olduğunun teyididir.
Şaft Titreşimi – dönen balanssızlık, yanlış hizalama ve motor şaftının bükülmesi, öncelikle 1x sırası ile ortaya çıkan ana sorunlardır
İlk adım olarak rotor hızını okuyan sensörün ayarlanması gerekir. Şekil 13’te görüldüğü gibi takometrik bir sensör kullanılmıştır.
Takometre Optik Sensör Kurulumu
Ardından, yazılımın “Kurulum” bölümünden DewesoftX Sipariş Takibi (OT) modülünü kullanılması gerekmektedir. Şekil 14’te gösterildiği gibi, ilgilenilen alanları vurgulayarak mertebe analizi için gerekli parametreler ayarlanmıştır.
Mertebe Analizi Kurulumu
İki dakikalık bir iniş sırasında ölçüm yapılmış ve ilk 16 mertebe analiz edilmiştir. En önemli sonuçları temsil ettikleri için sonuçlara yalnızca ilk sekiz mertebe dahil edilmiştir. Şekil 18, mertebe analizi ile elde edilen sonuçları göstermektedir.
Mertebe Analizi İçin Waterfall Grafikleri. Her iki diyagram da y ekseninde RPM’ye sahiptir ve renk ölçeği olgu genliğini göstermektedir. Soldaki şekil x, eksenindeki mertebe sayısını gösterirken, sağdaki şekil x eksenindeki frekansları göstermektedir.
Yukarıdaki şekilde elde edilen grafikler, 1x sırasının diğerlerine kıyasla en yüksek yoğunluğa sahip olduğu yönündeki beklentilerimi doğrulamıştır. Bu gerçek hayattaki bir sistem örneğidir ve diğer düzenler 2x ve 3x düzenlerinin nispeten yüksek yoğunluğuyla gösterilen gevşeklik, boşluk ve yanlış hizalama sergilemektedir.
Sonuçlar
Bu çalışmanın arkasındaki temel fikir, aşağıdaki gibi basit soruları yanıtlamaktır:
- Motor/plaka sisteminin titreşimlerine ne sebep oluyor?
- Motor maksimum hıza kadar çalıştığında sisteme ne olabilir?
Bu basit sistemin analizi sadece dönen bir makinede titreşim artışına yol açan ana nedenlerin belirlenmesine izin vermekle kalmamış, ayrıca motor rezonans frekanslarından geçtiğinde ortaya çıkan etkilerin de gözlemlenmesini sağlamıştır.
Rezonans frekanslarında yüksek seviyelere ulaşan titreşimler sisteme zarar verebilir ve hatta yıkıcı olabilir. Bu rezonans frekanslarını bilmek, bu koşullara yakın çalışmaktan kaçınmak için temeldir, aynı zamanda tasarımcıların değişiklikler ve modifikasyonlar yoluyla orijinal tasarımı geliştirmelerine olanak tanır.
Dewesoft veri toplama sistemlerinin bu basit durum için mükemmel olduğu kanıtlanmıştır. Veri toplama platformunun esnekliği aynı anda birden fazla noktanın kaydedilmesini sağlamıştır. Platform, daha fazla yönde ölçüm yapılmasını sağlayarak daha karmaşık ve gelişmiş analizlere olanak tanımakta ve laboratuvarda harcanan zamanı azaltmaktadır.