Hoe ontdek je de kritische frequenties van roterende machines?

Wanneer een roterende machine de resonantiefrequentie bereikt kan dit leiden tot ernstige schade aan de machine (en fabriek), letsel bij werknemers en enorme financiële gevolgen. Dit moet dus ten allen tijde voorkomen worden. Hoewel de meeste roterende machines op dergelijke wijze ontworpen zijn dat de resonantiefrequentie nooit samenvalt met het toerental van de machine, kan er door ontwerpfouten, veranderingen in het toerental of externe invloeden (natuurlijke frequentie fundering bijvoorbeeld) alsnog resonantie ontstaan.

Kritische frequenties

Elke machine (opstelling) heeft één of meerdere natuurlijke frequenties; de frequentie waarbij een systeem de neiging heeft te trillen zonder dat er aandrijf- of dempingskracht aanwezig is. Wanneer een roterende machine operationeel is ontstaat er een bepaalde trillingsfrequentie. Wanneer deze trillingsfrequentie van een roterende machine samenvalt met de natuurlijke frequentie van de machine (constructie) is er sprake van mechanische resonantie. Hierbij trilt de machine sterk mee met de bron van de trilling, waardoor een versterkte trilling wordt geproduceerd. De versterkte trillingen kunnen zó sterk zijn dat het een vernietigend effect heeft op de machine.

Het ontstaan van de trillingen bij roterende machines kan verschillende oorzaken hebben. Hierover meer in de oorzaken van trillingen.

Oplossing

Het is duidelijk dat resonantie voorkomen moet worden. Hiervoor kunnen accelerometers gebruikt worden, met als doel de machinevibratie te monitoren. Met behulp van een transmitter kan de accelerometer communiceren met een PLC, DCS of SCADA systeem, waardoor er snel en adequaat actie ondernomen kan worden indien dit nodig is. Het is belangrijk dat de kritische (resonantie) frequenties bekend zijn, omdat deze gebruikt worden bij het instellen van alarmwaarden. Deze alarmwaarden dienen te voorkomen dat een roterende machine de resonantiefrequentie bereikt.

Meer informatie over accelerometers en het gebruik ervan vindt u op de volgende pagina’s:

Methoden voor het vaststellen van de resonantiefrequentie

Er bestaan verschillende methoden om te achterhalen wat de resonantiefrequentie van een machine is. De meest gebruikte methoden worden achtereenvolgens besproken.

Bump test (impact test)

Een bump test helpt bij het vinden van de kritische frequentie(s) van machines. Voor het uitvoeren van een bump test bestaan verschillende methoden. Het kan echter zo simpel zijn als het betreffende materiaal (de machine) een stoot (“bumping”) te geven met bijvoorbeeld een rubberen hamer. Met apparatuur kan vervolgens een sample genomen worden van een paar seconden (time domain plot), de periode van één omwenteling van een roterende machine. Hoe lang het sample moet zijn is afhankelijk van de vastgestelde resonantie frequenties. Het is belangrijk om de machine op meerdere plekken te testen (stoten); zowel metingen op het aandrijfpunt als het transferpunt moet worden uitgevoerd om de resonantiefrequentie van de machine vast te stellen. Voor deze test dient de machine uit bedrijf te zijn, omdat dit onjuiste data voorkomt en het makkelijker maakt om de natuurlijke frequentie van de machine vast te stellen.

Run up/ coast down test

Bij de zogeheten ‘’coast down peak hold” wordt de vibratie gemonitord van het punt waarin de machine operationeel is tot aan de shutdown. Zonder dat er resonantie aanwezig is, wordt verwacht dat het vibratie niveau een constant niveau heeft. Wanneer er wordt vastgesteld dat het vibratie niveau stijgt bij het uitschakelen van de machine, kan de snelheid waarmee de amplitude toeneemt duiden op de natuurlijk frequentie. Naast deze test bestaat de wat uitgebreidere “coast down peak phase”. Hierbij wordt zowel het vibratie niveau gemeten als de faseverschuiving van de machine. Op deze wijze kan de natuurlijke (resonantie) frequentie worden achterhaald, welke in het midden van de 180 graden faseverschuiving ligt.

Formule voor natuurlijke frequentie

Een derde methode is de natuurlijke frequentie simpelweg berekenen door middel van een formule. Dit is echter niet zo simpel als de formule het laat lijken. Om de natuurlijke frequentie (ωn) van een machine te berekenen moet de parameters stijfheid (k) en de mass (m) bekend zijn. Dit is vaak niet het geval. Vooral de stijfheid van een constructie is zeer lastig vast te stellen. Daarbij verandert de natuurlijke frequentie zodra één van de twee parameters veranderd wordt. Deze methode wordt doorgaans dan ook niet vaak gebruikt.

Het veranderen van de natuurlijke frequentie

De natuurlijke frequentie kan veranderd worden door bijvoorbeeld de stijfheid of de massa van de machine te veranderen. Door de massa te laten toenemen of de stijfheid te verminderen zal de natuurlijke frequentie verminderen. Andersom zal een afname in de massa en het vergroten van de stijfheid de natuurlijke frequentie doen toenemen.

Het is niet altijd mogelijk om één van de parameters (stijfheid of massa) te veranderen. In dit geval kan de snelheid waarmee de machine roteert veranderd worden. Dit is echter vaak geen optie; een machine roteert immers niet voor niets met een bepaalde snelheid. Dan is er nog de mogelijkheid om een dynamische schokdemper op de machine te plaatsen, welke dient om de vibratie niveaus significant te verminderen.

Als één van de meest voorkomende oorzaken voor buitengewone machine vibratie is het belangrijk om het opereren binnen de resonantiefrequentie te voorkomen. Om deze frequentie vast te stellen is het belangrijk een precieze meting te doen, zodat de natuurlijke frequentie achterhaald kan worden. Naast resonantie spelen onbalans, onjuiste uitlijning of beschadigde onderdelen vaak een grote rol bij het ontstaan van ongewoon vibratiegedrag.

Lees meer over de oorzaken van trillingen


Kennis & cases

Op ons kennisblog plaatsen we informatieve artikelen en leerzame case-studies met betrekking tot procesinstrumentatie, condition monitoring, trillingsmetingen en machinebewaking.