Pomiary wibracji w utrzymaniu ruchu. Inspekcja termowizyjna i wibrodiagnostyka w utrzymaniu ruchu zakładów przemysłowych, część 2

Fot. 1. VIBmeter1000 firmy EC Electronics

Wibracje, tzn. cykliczne odchylenia maszyny lub jej części od pozycji ustalonej, są skutkiem sił powstających wewnątrz urządzenia - na przykład w wyniku niewyważenia jego wirujących elementów lub nierównomiernego rozkładu pola magnetycznego w silniku. W urządzeniach takich jak wentylatory, dmuchawy i pompy drgania są też wywoływane przez turbulencje w przepływie medium, z kolei w turbinach gazowych oraz kotłach mogą zachodzić turbulencje w procesie spalania.

Wibracje występują też na skutek tarcia, niewspółosiowości, obluzowania komponentów maszyn - na przykład pasów napędowych, osłabienia mocowania urządzenia z podstawą lub jej pęknięcia (rys. 1). Drgania wewnętrznych podzespołów przenoszą się też na obudowę, co może wzbudzać inne komponenty lub sąsiadujące maszyny do drgań. Nadmierne wibracje są więc przeważnie oznaką jakiegoś problemu w funkcjonowaniu maszyny, a zbagatelizowane prowadzić mogą m.in. do skrócenia czasu jej użytkowania lub jego części.

Na przykład dodatkowe dynamiczne obciążenie źle wpływa na pracę łożysk, komponentów i bez tego będących jedną z częstszych przyczyn awarii maszyn. Ponadto w przypadku precyzyjnych maszyn do obróbki drgania negatywnie wpływają na stan produktu, w tym na przykład na dokładność jego wymiarów lub jakość wykończenia powierzchni.

Case study: Wibrodiagnostyka demaskuje nieprawidłowe mocowanie silnika

W pewnym zakładzie tuż po uruchomieniu nowego zespołu pompa odśrodkowa-silnik, wystąpiły duże wibracje. Ich przyczyny bezskutecznie szukano przez kilka dni, m.in. rozmontowując pompę, sprawdzając pod tym kątem łożyska, a także konsultując się z producentami tych komponentów. Ostatecznie zdecydowano się poprosić o pomoc specjalistów z zakresu wibrodiagnostyki.

Przeprowadzone przez nich pomiary ujawniły, że prawdopodobną przyczyną jest rezonans podstawy, na której zamontowano urządzenia. Zaczęto wówczas podejrzewać, że wibracje te mają związek z konstrukcją mocującą silnik, którą stanowiły dwie równoległe belki. Na każdej z nich opierała się jedna noga silnika. Ponieważ nie zastosowano żadnego połączenia między belkami, pod silnikiem pozostała wolna przestrzeń.

Inżynierowie zdecydowali się w związku z tym na odłączenie zespołu silnika i pompy, a następnie przeprowadzenie testów polegających na uderzaniu młotem w podstawę, na której zamocowano czujnik wibracji. Okazało się, że częstotliwość rezonansowa podstawy wynosi 3600 cykli/min.

Odnosząc ten wynik do prędkości obrotowej silnika przy pełnym obciążeniu, która wynosiła 3585 obr./min., uznano zagadkę źródła nadmiernych wibracji za rozwiązaną. Następnie, aby zapobiec drganiom, konstrukcję mocującą silnik wzmocniono, a pomiary wibracji po uruchomieniu zespołu silnika i pompy powtórzono. Okazało się, że poziom drgań zmniejszył się do wartości dopuszczalnej.

POMIARY WIBRODIAGNOSTYCZNE

Obsługując dane urządzenie, często łatwo można zorientować się od razu, gdy coś odbiega od normy - na przykład maszyna jest za gorąca lub zaczyna wibrować podczas pracy. Nie jest to jednak miarodajny sposób oceny stanu urządzenia, ponieważ wymaga sporego doświadczenia w jego obsłudze, a ponadto każdy człowiek może inaczej interpretować odbierane wrażenia zmysłowe. Ponadto niektórych usterek w ich wczesnej fazie, np. awarii łożysk lub przekładni, w ten sposób w ogóle nie można wykryć.

Z powyższych powodów w praktyce wykorzystuje się analizatory wibracji, które mierzą drgania, dostarczając wyniki pomiarów w postaci umożliwiającej ich porównanie z wartościami zamieszczonymi na przykład w normie lub w charakterystyce urządzenia. Przyrządy te, oprócz różnych dodatkowych funkcji, przeważnie mierzą cztery najważniejsze parametry drgań, tzn. ich częstotliwość, przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie. Na podstawie każdego z nich lub kilku łącznie można wyciągnąć wnioski o aktualnym stanie urządzenia.

Artur Hanc

EC Electronics

Jednym z elementów wpływających na możliwości realizacji konkretnej polityki utrzymania maszyn, podniesienia poziomu bezpieczeństwa pracy, wydajności i dyspozycyjności jest monitorowanie stanu maszyn.

Pomiar drgań i oparta na mierzonych sygnałach drganiowych diagnostyka jest skuteczna, przy czym wymaga zapewnienia systematyczności zbierania określonych parametrów i wskaźników.

Tylko wtedy można zapewnić prawidłowe tworzenie trendu zmian monitorowanych parametrów i uruchomić analizy stanu monitorowanego urządzenia.

Jakie urządzenia pomiarowe stosuje się najczęściej - stacjonarne czy przenośne?

Głównym problemem w przypadku sekwencyjnego manualnego procesu monitorowania jest zapewnienie jednakowych odstępów czasu pomiędzy kolejnymi czynnościami pomiarowymi oraz powtarzalność pomiarów ze względu na niejednoznacznie określony punkt pomiarowy.

Lepszym i pewniejszym rozwiązaniem procesu monitorowania są systemy monitorowania ciągłego. Zapewniają one stabilność i powtarzalność procesu pomiarowego. Dodatkowo umożliwiają ciągłą analizę wartości mierzonej, wykrywanie przekroczenia zaprogramowanych progów oraz integrację z systemem sterowania monitorowanej maszyny lub z centralnym systemem sterowania.

Jakie trendy technologiczne kształtują omawianą branżę?

Rozwój systemów pomiarowych w XXI wieku to przede wszystkim miniaturyzacja i bezprzewodowość. Stosowanie mniejszych i bardziej "inteligentnych" czujników umożliwia wbudowanie sensorów w urządzenie. Również w zakresie bezprzewodowości pomiary drgań nie odbiegają od trendów rynkowych.

Jedynym ograniczeniem są parametry związane z wysokimi częstotliwościami próbkowania oraz z koniecznością zapewnienia długoterminowego zasilania i pewności działania.

CZĘSTOTLIWOŚĆ DRGAŃ

Rys. 1. Tarcie, niewspółosiowość, obluzowanie komponentów maszyn, osłabienie mocowania urządzenia z podstawą lub jej pęknięcie - to częste przyczyny nadmiernych wibracji

Szukanie źródła awarii objawiającej się nadmiernymi wibracjami to w praktyce proces eliminacji, w którym cennym źródłem informacji może być widmo częstotliwościowe drgań. Analizując je, można powiązać częstotliwość wibracji z prędkością obrotową konkretnego elementu maszyny. Jeżeli częścią urządzenia jest na przykład wentylator z silnikiem o prędkości 2000 obr./min oraz pas napędzany przez silnik o prędkości 3400 obr./min, a zarejestrowane wibracje występują z częstotliwością 2000 cykli/min, jest bardzo prawdopodobne, że źródłem anomalii jest wentylator.

Wówczas z dalszej analizy można od razu wykluczyć pas napędowy i różne problemy w jego funkcjonowaniu, jak również napędzający go silnik, w tym np. problemy w zasilającej go instalacji elektrycznej. Niestety nie zawsze tak łatwo skojarzyć można objawy z ich przyczyną. Niektóre problemy, jak na przykład obluzowanie jakiegoś komponentu lub niewspółosiowość współpracujących elementów, są źródłem wibracji o częstotliwości odpowiadającej wielokrotności prędkości obrotowej komponentu.

Tak jest m.in. w przekładniach, w przypadku których problemy objawiają się wibracjami o częstotliwości równej na przykład iloczynowi liczby zębów i prędkości obrotów. Podobnie aerodynamiczne problemy w pracy wentylatorów skutkować mogą wibracjami o częstotliwości, która jest iloczynem prędkości obrotowej i liczby łopatek wirnika.

Często też nie sposób w ogóle powiązać częstotliwości drgań z prędkością obrotową jakiegokolwiek komponentu maszyny, na przykład gdy wibracje są generowane na skutek defektów łożysk lub gdy ich przyczyna ma charakter bardziej złożony, a drgania o różnych częstotliwościach nakładają się na siebie.