Derin Okuma — Titreşim Analizi

Fabrikanın sessiz çığlığı

Kocaeli’nde bir çimento fabrikasının döner fırını, her zamanki gürültüsüyle dönüyordu. Operatörlerin kulağına her şey normal geliyordu. Taşeron bir ekibin rutin ölçüm için bağladığı ivmeölçer ise farklı bir hikaye anlatıyordu. Üçüncü katında, genliği her hafta yüzde on iki büyüyen bir tepe noktası belirmişti. Dışarıdan bakınca devasa fırın sapasağlam çalışıyordu. İçeride ise bir kafesin dış bileziğinde, iğne ucu kadar bir kusur büyüyordu.

Ekip, planlı duruşa daha altı hafta varken acil durdurma önerdi. Yönetim tereddüt etti. Fırın durduğunda, rulmanın içinden avuç dolusu metal pul döküldü. Kafes tamamen dağılmak üzereydi. O gün kurtarılan maliyet, sadece yeni bir rulman bedeli değil, kırılan bir milin ve iki haftalık üretim kaybının toplamıydı. Titreşim analizi, makinelerin iç kulağına tercüman olma sanatıdır.

Bir salıncağın matematiği

Titreşim analizinin özünü kavramak için bir çocuk parkındaki salıncağı düşünmek yeterli. Salıncağı her itişinizde belli bir ritim tutturursanız, genlik büyür. İtişlerinizin frekansı salıncağın doğal frekansına eşitlendiğinde rezonans oluşur ve salıncak devasa bir yay çizmeye başlar.

Makineler de tıpkı bu salıncak gibidir. Her parçanın. Bir dişlinin, bir rulman bilyesinin, bir fan kanadının. Kendine özgü bir doğal frekansı vardır. Sağlıklı bir makine, bu frekansların düşük genlikli, istikrarlı bir karışımını üretir. Arıza başladığında ise bu karışıma yeni, tanımlanabilir frekanslar eklenir.

Dış bilezik çatlağı, iç bilezik frekansında bir yan bant oluşturur. Dişli aşınması, diş geçiş frekansının harmoniklerini yükseltir. Analistin işi, bu gürültülü orkestrada yanlış nota basan enstrümanı bulmaktır. İşin zorluğu şuradadır. Hatalı nota çoğu zaman tek başına duyulmaz, başka notaların altında kalır ya da onlarla etkileşime girer.

Zamanın iki yüzü

Titreşim verisi iki temel düzlemde okunur. Ham sinyalin zaman eksenindeki izdüşümü, anlık darbeleri ve sürtünme kaynaklı rastgele titreşimleri gösterir. Bir rulmanda başlayan oyuklanma, zaman dalga formunda periyodik, sivri darbeler olarak kendini ele verir. Her darbe, bir bilyenin çukura düşüp çıkışının imzasıdır. Zaman alanındaki bu ham iz, çoğu zaman bir karmaşadan ibarettir.

Asıl hikaye, Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT. Tıpkı bir prizmanın beyaz ışığı renklerine ayırması gibi, karmaşık bir sinyali saf frekans bileşenlerine ayıran matematiksel işlem) ile frekans alanına geçildiğinde ortaya çıkar. FFT, sinyali kendisini oluşturan saf sinüs dalgalarına ayrıştırır. Ortaya çıkan spektrum grafiğinde, x ekseni frekansı (Hertz), y ekseni genliği (genellikle mm/s cinsinden titreşim hızı) gösterir.

Sağlıklı bir motorda 1X dediğimiz mil dönüş frekansında belirgin bir tepe, onun küçük harmoniklerinde ise alçak tepeler görülür. Dengesizlik arızası, 1X tepesini radyal yönde yükseltir. Genlik, hızın karesiyle orantılı artar. Eksenel kaçıklık, 2X tepesini büyütür. Gevşeklik ise zeminde adeta bir çim biçme makinesi gürültüsüne benzer, geniş bantlı bir gürültü tabanı yaratır.

FFT’nin çözünürlüğü, toplanan veri süresine bağlıdır. Bir saniyelik veriyle alınan FFT, 1 Hz çözünürlük verir. 25 Hz çözünürlüğe iner. Rulman arızalarında, iç bilezik geçiş frekansıyla mil dönüş frekansının oluşturduğu yan bantları ayırt edebilmek için en az 3200 çizgili bir spektrum gerekir. Az çizgi, frekansları üst üste bindirir ve arıza teşhisini imkansızlaştırır. Analist, ölçüm öncesinde frekans aralığını ve çözünürlüğü doğru seçmek zorundadır. Yanlış seçilen bir parametre, altı haftalık erken uyarı penceresini tamamen kapatabilir.

Rulmanın parmak izi

Titreşim analizinin en sofistike uygulama alanı, rulman arızalarının teşhisidir. Her rulmanın geometrisi, dört temel arıza frekansı üretir. Dış bilezik geçiş frekansı (BPFO), iç bilezik geçiş frekansı (BPFI), bilye dönüş frekansı (BSF) ve kafes frekansı (FTF). Frekanslar, rulmanın katalogundaki bilye sayısı, bilye çapı, hatve çapı ve temas açısı kullanılarak hesaplanır.

Örneğin, 8 bilyeli, 12 mm bilye çaplı, 40 mm hatve çaplı bir rulmanda, mil saniyede 25 tur dönüyorsa, BPFO kabaca 76 Hz civarında oluşur. Analist, spektrumda tam olarak bu frekansta yükselen bir tepe gördüğünde, dış bilezikte bir kusurun başladığını bilir. Arıza ilerledikçe, tepenin etrafında mil dönüş frekansı aralıklı yan bantlar belirir.

İç bilezik arızasında ise yan bantlar çok daha belirgindir. Kusurlu bölge yük bölgesine her girdiğinde darbe şiddeti değişir, çünkü bilye kusurun üzerinden geçerken uygulanan radyal yük farklıdır. Yük bölgesinin en yoğun noktasında darbe genliği maksimuma çıkar, bölge dışında sıfıra yaklaşır. Modülasyon, spektrumda BPFI frekansının etrafında mil dönüş frekansı (1X) aralığıyla yan bantlar oluşturur.

Zarf analizi (demodülasyon) adı verilen sinyal işleme tekniği, bu yüksek frekanslı, tekrarlayan darbeleri taşıyıcı sinyalden ayırır. İvmeölçerden gelen ham sinyal önce 500 Hz ila 10 kHz arasındaki bir bant geçiren filtreden geçirilir. Filtrelenmiş sinyalin zarfı çıkarılır, yani tepe noktaları birleştirilir. Zarf sinyaline uygulanan FFT, rulman arıza frekanslarını net biçimde gösterir. Teknik, rulman arızasını henüz oyuklanma milimetrenin onda biri boyutundayken yakalayabilir.

Kafes frekansı (FTF) ise diğerlerinden farklıdır. Kafes, bilyeleri eşit aralıklarla tutan bileşendir ve dönüş hızı mil hızının kabaca yüzde kırkı kadardır. Kafes arızası, spektrumda düzensiz, geniş tepeler olarak görülür. Frekansı tam hesaplamak zordur, çünkü kafes kaymaya başladığında bilye aralıkları değişir ve hesaplanan frekans gerçek frekanstan sapar. Kayma, kafesin dağılmak üzere olduğunun en güçlü göstergesidir.

Eşik değerlerin diktatörlüğü

Endüstride titreşim şiddeti, ISO 10816 standardına göre sınıflandırılır. Standart, makineleri güç ve temel yapısına göre dört sınıfa ayırır. Sınıf I, 15 kW altı küçük makinelerdir. Sınıf II, 15 ila 75 kW arası, özel temeli olmayan orta boy makinelerdir. Sınıf III, rijit temele monte büyük motorlar ve pompalardır. Sınıf IV ise esnek temele monte turbo makinelerdir.

Her sınıf için eşik değerler farklıdır. Sınıf II bir makine için 3 mm/s RMS titreşim hızına kadar olan bölge "yeşil", yani yeni kabul edilmiş bir makine için dahi normaldir. 5 mm/s arası "sarı" bölgedir.

Makine çalışabilir ama izlenmelidir. 1 mm/s arası "turuncu" bölgedir. Kısa vadede düzeltici bakım planlanmalıdır. 1 mm/s üzeri ise "kırmızı" bölgedir ve makinenin derhal durdurulması risk değerlendirmesi gerektirir. Sınıf IV bir gaz türbininde ise kırmızı bölge 4 mm/s seviyesindedir. Esnek temel, titreşimi sönümlediği için ölçülen genlik daha düşüktür, ama içerideki hasar aynıdır.

Ne var ki bu eşikler sadece bir başlangıç noktasıdır. Asıl değerli olan, titreşim genliğinin zaman içindeki eğilimidir. İki haftada 2 mm/s’den 3 mm/s’ye tırmanan bir pompa ile altı ayda aynı seviyeye gelen bir pompa arasındaki fark, bir enstrümanın gösterdiğinden çok daha fazlasını anlatır. İkinci pompa, istatistiksel olarak arızaya doğru üstel bir yürüyüşe geçmiştir. Eğilim analizi, mutlak değerlerin diktatörlüğünü yıkan asıl karar destek aracıdır.

Üstel büyüme, titreşim analizinde kırmızı alarmdır. Lineer artış gösteren bir arıza, örneğin kademeli bir dengesizlik, planlı duruşa kadar bekleyebilir. Ama genlik her ölçümde bir öncekinin katlanarak artıyorsa, geride kalan süre ay değil, hafta hatta günle ölçülür. Noktada ISO eşikleri değil, eğilimin eğimi karar vericidir.

Faz açısının anlattıkları

Frekans ve genlik, titreşimin sadece ik boyutudur. Üçüncü boyut olan faz açısı, iki sinyal arasındaki zaman gecikmesini derece cinsinden gösterir. Bir milin iki ucundan alınan titreşim sinyalleri arasındaki faz farkı, arızanın doğasını ayırt eder.

Dengesizlikte, milin her iki ucundaki radyal titreşim aynı fazdadır. Mil bir bütün olarak salınır. Eksenel kaçıklıkta ise iki uç arasındaki faz farkı 180 dereceye yaklaşır. Mil, ortasından bir mafsal varmış gibi hareket eder. Gevşeklikte ise faz açısı kararsızdır, ölçümden ölçüme değşir. Analist, aynı makineden saatlerce süren bir titreşim verisi toplamışsa ve faz açısı sürekli kayıyorsa, bir bağlantı elemanının gevşediğinden emin olabilir.

Faz analizi, yapısal rezonans teşhisinde de kritiktir. Makine çalışma hızına getirilirken rezonans bölgesinden geçerken, faz açısı 90 derece birden sıçrar. Sıçrama, yapının doğal frekansının tam olarak nerede olduğunu gösterir. İşletme hızı rezonans bölgesinin içindeyse, milimetrelik bir hız değşikliği dahi titreşim genliğinde katlanmaya yol açar. Çözüm, ya yapıyı sertleştirerek doğal frekansı yükseltmek ya da çalışma hızını rezonans bölgesinden uzaklaştırmaktır.

Yörünge grafiği, bir mil merkezinin uzayda çizdiği şekildir. İki eksene dik yerleştirilmiş yakınlık problarından alınan sinyaller bir osiloskopta X-Y modunda birleştirilir. Sağlıklı bir mil, dar bir elips çizer. Dengesizlik elipsi genişletir. Kaçıklık, elipsi muz şekline dönüştürür. Sürtünme ise yörüngeyi düzensiz, tırtıklı bir hale getirir.

Mil yatağında yağ filmi kararsızlığı (oil whirl) başladığında, yörünge iç içe geçmiş halkalar çizmeye başlar. Bu, milin yatak içinde kontrolsüz bir presesyon hareketine girdiğinin işaretidir.

Piyasa Hafızası

Olay, Prudhoe Bay Transit Hattı Sızıntısı (2006)

Alaska’nın donmuş topraklarının altından geçen ve ABD ham petrol üretiminin yüzde sekizini taşıyan Prudhoe Bay transit boru hattı, 2006 yılının Ağustos ayında bir sızıntıyla durduruldu. BP tarafından işletilen hattın bir bölümünde, akıllı pig (boru içi muayene robotu) ile yapılan son denetimler korozyon kaynaklı metal kaybını raporlamıştı. Asıl felakete yol açan detay, pig’in geçemediği bir ara bölgede, harici ultrasonik kalınlık ölçümlerinin yanlış yorumlanmasıydı. Titreşim analizi bu olayda doğrudan bir rol oynamadı. Ders başka bir yerde saklı. Boru hattı durdurulduğunda, North Slope sahasındaki üretim kuyuları ve destek pompaları da ani bir kapanma yaşadı.

Yeniden devreye alma sırasında, aşırı soğukta bekleyen onlarca büyük güçlü pompanın mil ve rulmanlarında, önceki duruşlardan kalan yorulma çatlakları ilerledi. Rutin titreşim izleme programı olmayan bazı yardımcı pompalar, devreye alındıktan saatler sonra katastrofik rulman kilitlenmesiyle yandı. Ders şuydu. Bir sistemin en zayıf halkası, en kritik ekipman değil, dur-kalk döngülerinde izlenmeyi bekleyen yardımcı ekipmandır.

Küçük Bir Hesap

Bir kağıt fabrikasının kurutma silindir grubunu tahrik eden200 kW’lık bir elektrik motorunu ele alalım. Motorun tahrik ucu rulmanında erken aşama iç bilezik kusuru tespit edildi. İki senaryo var, planlı duruşta değişim ya da arızaya kadar çalıştırma.

*Sayılar temsili, mantık gerçek.*

Aradaki fark yaklaşık94.000 USD. Titreşim analizi programının bu motor için yıllık maliyeti, taşeron ölçüm ve raporlama dahil, kabaca800 USD’dir. Duyarlılık şurada gizli. Eğer analist, iç bilezik frekansındaki0.8 mm/s’lik artışı "sarı bölgede, izlemeye devam" diye geçiştirseydi, arıza üstel büyüme fazına girecek ve bir sonraki aylık ölçüme kadar motor çoktan kilitlenecekti. Asıl maliyet tasarrufu, ölçüm yapmakta değil, eğilimi doğru okuyup karar verme cesaretindedir.

Gürültüden melodiye

Titreşim analizi, özünde bir örüntü tanıma disiplinidir. Makinenin ürettiği kakofoniyi ayrıştırıp, her bir bileşeni geometrik bir gerçekliğe bağlamak, analistin zihninde gerçekleşen bir tercüme eylemidir. Üç katmanlı bir okuma yapmak gerekir.

İlk katman, ISO eşikleridir. Makinenin genel sağlık durumunu kabaca tarar. İkinci katman, frekans spektrumudur. Arızanın hangi parçada olduğunu söyler. Üçüncü katman, faz analizi ve yörünge grafikleridir. Arızanın doğasını, örneğin bir dengesizlik mi yoksa eksenel kaçıklık mı olduğunu ayırt eder.

Üç katmanı okuyabilen bir mühendis için makine, şeffaf bir cam kutuya dönüşür. Dönen her mil, içindeki kusuru titreşimle haykırır. Ama bu haykırışı duyabilmek için, önce sessizliği dinlemeyi öğrenmek gerekir. En kritik arızalar, genlik yükselmeden önce, frekans spektrumunda sessizce belirir. Gerçek ustalık, gürültüdeki sessizliği fark etmektir.