Běžná FFT analýza a nerovnoměrné otáčky

Přímé použití FFT analýzy pro měření zdrojů hluku a vibrací s proměnlivými otáčkami není příliš vhodné. Jedná se o frekvenční analýzu, která se používá nejčastěji při zpracování vibračních signálů. Tato transformace převádí časový signál na jednotlivé harmonické frekvence reprezentované funkcí sin(x). Výsledek je zobrazen ve formě frekvenčního spektra.

Výpočet této analýzy je velmi rychlý, ale pro začátek výpočtu je nutné nejprve získat časový signál měřením. Pro nastavení FFT analýzy je důležité zadat požadovaný frekvenční rozsah, počet čar, časovou váhovou funkci a typ průměrování.

Nevýhodou FFT analýzy je, že pro její provedení je nutné mít časový signál měřeného signálu. Délka tohoto signálu závisí na frekvenčním rozsahu a na počtu čar. Řádově se jedná o délky od 0,25 do 8 s. Po tuto dobu musí být měřený signál konstantní, jinak dojde k deformaci měřeného spektra.

Na vedlejším obrázku jsou zobrazeny tři signály FFT analýzy z tacho sondy. Na frekvenční osu (osa X) je použita funkce zoom. Červený signál je z režimu velmi vysokého zatížení. Vlivem tohoto zatížení, které nebylo rovnoměrné, dochází k velkému rozmazání spektra tacho signálu ve frekvenční oblasti. Signál modrý reprezentuje průběh s nižším zatížením a zelený signál zobrazuje situaci s nejnižším zatížením. I přes nízké zatížení však nebyly otáčky motoru konstantní v době, která byla potřeba pro měření signálu pro provedení FFT analýzy.

Tento výsledek, s nejasnou frekvencí reprezentující otáčkovou frekvenci, je pro další frekvenční analýzu a rozbor pro účel technické diagnostiky jen velmi omezeně použitelný.

Více informací o námi prováděných FREKVENČNÍCH ANALÝZÁCH.

Možnosti měření otáček

Pro hodnocení rovnoměrnosti otáček je nutné systém měření doplnit o měření otáček. Otáčky lze obecně měřit několika způsoby.

Možnosti měření aktuálních otáček

• z měřeného FFT spektra zvuku nebo vibrací
• přímé měření tacho sondou (otáčková sonda)
• bezkontaktní měření Hallovou sondou
• inkrementálním čidlem na hřídeli
• stroboskopem

Z výše uvedených způsobů měření otáček se dále zaměříme pouze na využití sond, které mají měřitelné výstupní napětí odpovídající otáčce nebo jejímu zlomku. Vhodnou možností jak zjistit aktuální otáčky při měření je použití tacho sondy. Tacho sonda většinou pracuje na optickém principu. Odraz sondou vysílaného signálu se odrazí od reflexní značky na hřídeli a způsobí skokovou změnu výstupního napětí. Takto vzniklé napěťové špičky je možné dále zpracovávat a použít je pro zobrazení aktuálních otáček v systému měření.

Použití optických tacho sond má ale jeden zásadní problém. Tacho sonda je často umístěna ve větší vzdálenosti od měřeného objektu, který je často uložen na pružných základech. Tacho sonda je často připevněna na stativu a stojí obvykle na běžné podlaze. Tento způsob uložení ale umožňuje relativní pohyb mezi hřídelí s reflexní značkou na hřídeli a tacho sondou.

Pro zajištění minimalizace relativních pohybů mezi měřeným tělesem a hřídelí je z výše uvedeného důvodu vhodnější použití systémů měření otáček, které jsou upevněny přímo na hřídeli.

Nerovnoměrnost otáček

Námi používaný měřicí systém můžeme přizpůsobit i pro měření nerovnoměrnosti otáček. Softwarová nadstavba provede vlastní měření například vibračního signálu a signálu z tacho sondy. V následujícím kroku provede vhodné úpravy na změřeném časovém signálu u jednotlivých otáček.

Následně je proveden výpočet úhlu v závislosti na čase, který odpovídá rovnoměrné otáčce. Tento předpoklad založený na pravděpodobnosti a datech ze signálu obsahujícího informace o natočení hřídele je porovnán s reálně naměřenými daty. Zjištěné odchylky jsou zobrazeny jako odchylky v ° pro dané natočení hřídele.

Na vedlejším obrázku je zobrazen ukázkový příklad nerovnoměrnosti natočení klikového hřídele během jednoho pracovního cyklu. Pro čtyřdobý pístový spalovací motor je typická nerovnoměrnost otáčení klikového hřídele v rámci pracovního cyklu, který trvá 720°. V závislosti na zatížení a otáčkách spalovacího motoru se výrazně mění i nerovnoměrnost rychlosti otáčení klikového hřídele.

Červený průběh na vedlejším grafu reprezentuje odchylky od rovnoměrného chodu při vysokém zatížení pohonu s výrazným nerovnoměrným chodem. Modrý průběh zobrazuje odchylky od rovnoměrného chodu v nízkém zatížení stejného pohonu.

Námi vytvořený algoritmus hodnotí naměřené odchylky skutečného natočení hřídele od teoretické polohy, která by odpovídala rovnoměrnému otáčení, například zde uvedeného klikového hřídele. 

FFT z dat o nerovnoměrnosti otáček

Pro aplikaci v technické diagnostice je důležité znát i budící frekvence způsobující proměnlivost otáček. Zdrojem těchto budicích frekvencí jsou procesy související se způsobem pohonu nebo zátěže (zážehy paliva ve spalovacím motoru, komprese a výfuk u kompresoru, změny elektromagnetických sil v průběhu otáčky elektromotoru ...). Tyto děje souvisí přímo s rotačním pohybem a lze je zjistit z kinematického schéma měřeného zařízení.

Budící frekvence odpovídající těmto zdrojům vibrací je nutné určit z časového průběhu nerovnoměrnosti chodu. Výsledné spektrum bude zobrazovat vliv jednotlivých zdrojů vibrací.

Z tohoto důvodu je námi vytvořený algoritmus rozšířen o možnost provádění FFT analýzy z dat, které reprezentují nerovnoměrnost otáčení hřídele. Z následně vypočtených FFT spekter lze proto určit, které zdroje nerovnoměrností v měřeném systému způsobují největší problémy často spojené s torzními vibracemi.

Námi vytvořené FFT spektrum zobrazuje změny úhlů, které jsou způsobeny zdrojem nerovnoměrných otáček na daném násobku otáčkové frekvence za pracovní cyklus. Délka tohoto cyklu může být 360° nebo 720°.

Hodnocení nerovnoměrnosti otáček je důležité v případech, kde mohou být rizikem torzní kmity a je důležité znát frekvence a amplitudy těchto kmitů. Torzní vibrace mohou způsobovat dodatečné nežádoucí namáhání spojek a ozubení.