SKF Laser Vibrometer MSL-7000

Kontaktfri vibrationsmätning för tillståndsövervakning

Författare: Werner Palmetshofer, Chef för SKF Condition Monitoring Centre, Steyr, Österrike

Lagerenheter Tillståndsövervakning Konstruktion Fettbullermätare Maskiner och inventarier Online-tjänster Simulering och programvara

Sammandrag

Införandet av en kontaktfri metod för vibrationsmätning i form av SKF Laser Vibrometer MSL-7000 har stor betydelse för både tillståndsövervakning och kvalitetskontroll under produktion. Produkten har utvecklats i samarbete med Polytec GmbH i Tyskland. Enheten är liten, kompakt och enkel att installera. Den breddar urvalet av instrument för tillståndsövervakning. Lasern har redan kommit till användning för testning av ljudnivån i SKFs egna lager­fabriker. SKF Laser Vibrometer kan integreras med SKFs utrustning för testning av ljudnivån i avancerade testinstallationer i slutet av produktionslinjer för produkter som elmotorer, pumpar och kompressorer. Därmed öppnas tekniken för andra företag.

Relaterade länkar

SKF Laser Vibrometer

Försäljning och råd

Werner Palmetshofer, Werner.Palmetshofer@skf.com

SKF Laser Vibrometer MSL-7000 är en digital integrerad vibrationsmätare i form av en enda kompakt enhet. Den är specifikt utformad för kontaktfri vibrationsmätning. Tillsammans med det tyska företaget Polytec GmbH har SKF anpassat produkten för att kunna utnyttja en ny metod att undersöka störningar i samband med lagertillverkning. Samtidigt breddas utbudet av instrument för tillståndsövervakning (fig 1). Dessutom kan SKF erbjuda sina kunder ett system för kvalitetskontroll i slutet av produktionslinjerna.

MSL-7000 har en robust och kompakt konstruktion. Produkten består av en enda enhet som är enkel att både installera och använda. Den tillämpar kontaktfri mätning och är därmed tillförlitlig och inte utsatt för slitage. Enheten kan lätt integreras i testuppställningar och befintliga styrsystem. MSL-7000 täcker det akustiska frekvensområdet från 0,2 Hz (för långsam rotation) upp till 22 kHz. Av säkerhetsskäl bygger produkten på synlig lågeffektslaser (klass II) som inte skadar ögonen.

Hjärtat i varje system av typ SKF Laser Vibrometer är en laserbaserad dopplervibrometer (LDV) – en precis optisk givare som fastställer vibrationers hastighet och storlek vid en given punkt. Tekniken bygger på dopplereffekten – lasern detekterar frekvensförskjutningen hos ljus som reflekteras från en rörlig yta.

Dopplereffekten
Om en våg reflekteras av ett rörligt objekt och detekteras av ett mätsystem (vilket är fallet med LDV), kan den uppmätta frekvensförskjutningen hos vågen beskrivas som:

där v är objektets hastighet och λ är våglängden hos den utsända vågen. För att bestämma hastigheten hos ett föremål med dopplerteknik måste frekvensförskjutningen mätas vid en känd våglängd. Detta görs i LDV av en laserinterferometer.

Interferometri
Den laserbaserade dopplervibrometern arbetar med optisk interferens, vilket kräver två koherenta ljusstrålar, med sina respektive ljusintensiteter l1 och l2, som överlappar varandra. Den resulterande intensiteten är inte bara summan av de enskilda intensiteterna, utan summan moduleras med en så kallad interferensterm enligt formeln

där:
r2 = konstant
r1 = r (t) – rörelsen hos objektet som undersöks
Denna interferensterm står i ett förhållande till skillnaden i väglängd mellan de båda strålarna. Om denna skillnad är en heltals-multipel av laservåglängden är den totala intensiteten fyra gånger större än intensiteten för en stråle. På motsvarande sätt gäller att den totala intensiteten är noll om de två strålarna har en skillnad i väglängd motsvarande halva våglängden.

Experimentuppställning
Fig 2 visar hur denna fysiska lag utnyttjas tekniskt i LDV. Strålen från en heliumneonlaser delas av en stråldelare (BS 1) till en referensstråle och en mätstråle. Efter att ha passerat genom en andra strål­delare (BS 2), fokuseras mätstrålen mot det aktuella objektet, vilket reflekterar den. Denna reflekterade stråle avlänkas nedåt från BS 2, fusioneras med referensstrålen av den tredje stråldelaren (BS 3) och riktas sedan mot detektorn.

Eftersom våglängden för referensstrålen är konstant över tiden (med undantag för försumbar termisk inverkan på interferometern) (r2 = konstant), alstrar en rörelse hos objektet som undersöks (r1 = r(t)) ett omväxlande mörkt och ljust fransmönster, typiskt för interferometri, på detektorn. En fullständig mörk-ljus-cykel på detektorn motsvarar en objektförflyttning motsvarande exakt halva våglängden hos det ljus som används. I fallet med heliumneonlaser, vilket är nästan den enda ljuskälla som används för vibrometrar, motsvarar detta en förflyttning på 316 nm.

En ändring av den optiska våglängden per tidsenhet visar sig som dopplerfrekvensförskjutningen av mätstrålen. Detta betyder att moduleringsfrekvensen för det fastställda interferometermönstret är direkt proportionell mot hastigheten hos objektet. Eftersom objektets rörelse bort från interferometern genererar samma interferensmönster (och frekvensförskjutning) som rörelse mot interferometern, kan denna lösning inte bestämma i vilken riktning föremålet rör sig. Därför har en akusto-optisk modulator (Bragg-cell) placerats i referensstrålen. Den förskjuter ljusets frekvens med 40 MHz (som jämförelse är frekvensen hos laserljuset 4,74 • 1014 Hz). Detta genererar en moduleringsfrekvens hos fransmönstret på 40 MHz när objektet är i vila. Om objektet rör sig mot interferometern reduceras denna moduleringsfrekvens och, om det rör sig bort från vibrometern, tar detektorn emot en frekvens högre än 40 MHz. Detta innebär att det är möjligt att inte bara detektera amplituden hos rörelsen utan även att avläsa rörelseriktningen.

Avancerad tillståndsövervakning
SKF är ett av de ledande företagen inom tillverkning av system för tillståndsövervakning. I erbjudandet ingår ett brett sortiment av bärbara instrument och online-övervakningssystem. Den nya lasern har utvecklats för att användas tillsammans med SKFs produkter för tillståndsövervakning. SKF Laser Vibrometer kan exempelvis kombineras med SKF Microlog (fig 3), vilket ger kunderna ytterligare mervärde. Lösningen öppnar för flera tillämpningar med SKFs bärbara instrument och online-system för övervakning, samtidigt som den ger SKFs servicetekniker ett avancerat och flexibelt verktyg för mobila vibrationsmätningar i många olika tillämpningar. Bland dessa mätningar kan nämnas:

  • Mätområdena 20 mm/s, 50 mm/s, 100 mm/s
  • Hastighetsproportionell utsignal tillgänglig på digital (sp-DIF-format) eller analog utgång
  • Akustiska mätningar från 0,2 Hz (för långsam rotation) upp till 22 kHz
  • Mätningar över stora avstånd (upp till 3 m)
  • Mätning mot heta ytor
  • Mätning av vibrationer i roterande delar
  • Konsekvent signal, utan påverkan av kraft som anbringas på piezo-elementet
  • Mätning i farliga eller svåråtkomliga områden
  • Mätning genom glas

Mätning av ljudnivåer på lager för SKFs tillverkning
Rullningslager är högprecisa mekaniska komponenter som vanligen produceras i mycket stora antal. Som världsledande inom lagerindustrin befäster SKF kontinuerligt sin ställning inom processutveckling och kvalitetsteknik. Måttoleranserna ligger inom ett fåtal mikrometer och speciell uppmärksamhet ägnas åt låg ljudnivå hos ett lager. SKF tillämpar nollfelspolicy, trots att företaget tillverkar miljontals produkter varje dag. Därför testas ljudnivån på alla tillverkade lager i slutet av produktionslinjen. Detta kräver mycket komplexa och avancerade testsystem (fig 4).

MSL-7000 mäter objekts stomljud tillförlitligt och utan kontakt. Insamlade data ger värdefull information till SKFs bullermätande elektronik, som övervakar tillverkningskvalitet och hur väl en produkt lever upp till gällande akustiska gränsvärden. När SKF Laser Vibrometer integreras direkt i en produktionslinje uppstår ett realtidssystem för kvalitetskontroll som möjliggör omedelbara beslut om en produkt är godkänd eller ej. Förutom att tillförlitligt bekräfta en produkts kvalitet gör lasern produktionsprocessen avsevärt mer kostnadseffektiv. SKF Laser Vibrometer är kontaktfri och utsätts inte för slitage. Den kräver inga servomekanismer eller någon bulleravskärmning för att mäta.

Genom att använda SKF Laser Vibrometer kan utformning och konstruktion av produktionslinjer förenklas. Dessutom kan maskiner som testriggar för livslängdstest och inkörningsstationer kompletteras med givare och elektronik för testning av ljudnivåer. Lasern har blivit standard för alla nya maskiner för testning av ljudnivån som används i SKFs fabriker (fig 5).

Denna nya teknik erbjuder ett antal fördelar för SKFs fabriker. Den kontaktfria mätningen ökar utrustningens livslängd och förebygger oplanerade stopp. Det är ett flexibelt system som kan användas i många olika tillämpningar. Precisionstekniken levererar en konstant signal och ger lägre driftkostnader genom snabb återställning och enkel kalibrering. Ytterligare fördelar är att befintliga maskiner är lätta att uppgradera, och installationen av givare är billig att reparera vid behov.

Kvalitetskontrollteknik för kunder
SKF kan nu ge support till sina kunder i frågor om kvalitetskontroll. Nya SKF Laser Vibrometer kan integreras med SKFs teknik för testning av ljudnivån för avancerade testanordningar i slutet av produktionslinjer för elmotorer, pumpar, kompressorer och många andra produkter. SKF erbjuder därmed hög kompetens inom kvalitetsteknik för sina kunder och kan bistå med lösningar för slutlig kvalitetskontroll och kontinuerliga förbättringar i tillverkningsprocesserna. Allt enligt SKFs vision: ”Att förse världen med SKFs kunskap”.

Polytec-koncernen

  • Grundat år: 1967
  • Huvudkontor: Waldbronn, Tyskland
  • Antal anställda: 350
  • Dotterbolag: England, Frankrike, Japan, Singapore och USA
  • www.polytec.com

Relaterat innehåll