The vibration analysis handbook1st ed

TABLE OF CONTENTS CHAPTER ONE: INTRODUCTION TO MACHINERY VIBRATION TheoryofVibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 HarmonicMotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Periodic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 RandomMotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 The Relationship between Time and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Amplitude Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Sources of Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Generated Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Excited Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Frequencies Caused by Electronic Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . 17 ForcingFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Combinations of Machine Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Mixing Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Electrical and Mechanical Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Time and Frequency Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Relationship between Velocity. Displacement. and Acceleration . . . . . . . . . 25 Units of Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Ways of Measuring Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Relation between Diameter. Speed. and RPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 How To Determine Machine Speed in FPM from the Vibration Data . . . . . 33 Conclusion and Efficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 CHAPTER TWO: TIME AND FREQUENCY ANALYSIS TECHNIQUES Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Basicphysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 5 Single Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Single Frequency with Harmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Clipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 SquareWave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Natural Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Multiple Frequencies . Linear Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 High Frequency Riding a Low Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Multiple Frequencies . Nonlinear Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 AmplitudeModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Sum and Difference Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 FrequencyModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 8 CHAPTER THREE: HARDWARE AND SOFTWARE REQUIRED FOR ACCURATE DIAGNOSTICS Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Personal Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Real-time Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Datacollection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Printers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Displacement Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Velocity Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Accelerometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Pressure Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Microphones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Once-Per-Revolution Markers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Gauss Meter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Group 1. Toolbox Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Signal Analysis Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Vibration Calculation Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Resonance and Deflection Calculator (RADC) . . . . . . . . . . . 92 Bearing Calculation Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Gears Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Roll Ratio Program and Rusch Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Group 2. Machine Doctor (MACHDOC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 MACHDOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Polar Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Time Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Balancing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Diagnostic Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Diagnostic Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Roll Quality Assurance Program . . . . . . . . . . . . . 109 Group3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 10 Group4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 CHAPTER FOUR: ACCURATE EVALUATION OF MACHINERY CONDITION Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 11 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 15 Frequencies Generated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Datacollection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 17 Transducer Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 18 Continuous Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 CommonProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Imbalance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Bentshaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 SoftFoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Looseness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Bearings Loose on the Shaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Bearings Loose in the Housing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Common Forms of Looseness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Diagnosis of Looseness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Rubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Problems That Cause Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 OilWhirl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Analysis of Electric Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Motors Out-of-Magnetic Center . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Broken Rotor Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Turn-To-Turn Shorts in Windings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Vibration Problems in Synchronous Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 44 SirenEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Solo Data on Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Steam Turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Impeller Contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 50 Starvation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 52 Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 52 Fans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Special Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 55 Startup/Coast Down Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Bump Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 8 Noise Recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 60 Synchronous Time Averaging (STA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 61 Relative Motion Measurements (RMM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 64 CHAPTER FIVE: ACCURATE DIAGNOSIS OF ANTIFRICTION BEARINGS Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.6 7 Datacollection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 7 Transducer Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 67 Generated Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 67 Fundamental Train Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 68 Ball Pass Frequency of Outer Race . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 69 Ball Pass Frequency of Inner Race . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 70 Ball Spin Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 70 Application of the Bearing Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 72 Outer Race Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 5 Inner Race Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 6 Ball Spin Frequency Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 76 Fundamental Train Frequency Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 VCI Bearing Calculation Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Bearing Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Raceways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Outer Race . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 InnerRace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Outer and Inner Race Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Modulation of Ball Pass Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Rolling Elements. Balls. and Rollers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Cage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Multiple Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Progressive Bearing Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Defectseverity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Bearing Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Inner Race Defect Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Defect Length Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Deep Fatigue Spalls vs . Shallow Flaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Problem Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Acid Etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Fluting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Inadequate Lubrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Looseness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Bearings That Have Excessive Internal Clearance . . . . . . . . . . . . . 216 Bearings That are Turning on the Shaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Bearings Loose in the Housing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Testing for Bearing Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 CHAPTER SIX: ACCURATE EVALUATION OF GEARS Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 How To Take Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Transducer Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Gear Vibration Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Evaluation of Gear Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Factoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Gearmesh Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Fractional Gearmesh Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Hunting Tooth Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Planetary Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 31 Digression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 End Digression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Gear Life Expectancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Amplitude Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 The Gears Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 The AGMA Quality Number System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Gear Problems and Causes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 46 Eccentric Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Meshing Gears That Have a Common Factor and One Gear Is Eccentric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 46 Gears That Do Not Have a Common Factor and One or Both Gears Are Eccentric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Gears That Are Out-of-Round or Have Several High Places . . . . . . 2 62 Gears Installed on a Bent Shaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Loose and Worn Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Misaligned Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Backlash Problems or Oscillating Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Broken. Cracked. or Chipped Teeth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 CHAPTER SEVEN: ANALYZING AND SOLVING PRESS ROLL AND NIP PROBLEMS Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Vibration Theory of Rolls In Nip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Synchronous Time Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Hardware Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Dynamic Measurement of Rolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Problems Associated with Rolls In Nip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Eccentric Rolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Improper Ratios of Roll Sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Resonant Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Installation of Improperly Ground Rolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Diagnosing Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Data Collection and Analysis of Overall Vibration Data . . . . . . . . . 302 Relative Motion between Rolls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Conclusions and Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 AppendixA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 31 AppendixB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 41 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 55