W zapewnieniu ciągłości pracy maszyn i nieprzerwanego realizowania procesów produkcyjnych istotną rolę odgrywa szeroko rozumiana profilaktyka w diagnostyce infrastruktury przemysłowej. Dobrym narzędziem jest w tym przypadku pomiar i analiza drgań.
Drgania to zmiany wielkości fizycznej, które występują w funkcji czasu i polegają na tym, że wartości są na przemian rosnące i malejące względem jakiegoś poziomu odniesienia. Wibracje (drgania mechaniczne) to niskoczęstotliwościowe drgania akustyczne, rozprzestrzeniające się w ośrodkach stałych.
W wielu aplikacjach wibracje stanowią czynnik roboczy, celowo wprowadzany przez konstruktorów do maszyn i urządzeń jako istotny element do realizowania określonych procesów technologicznych. Chodzi na przykład o wibrorozdrabnianie, czyszczenie i mielenie wibracyjne oraz kruszenie, wiercenie, drążenie i szlifowanie. Wibracje wykorzystywane są przede wszystkim jako źródło informacji o stanie technicznym maszyn i innych urządzeń. Drgania stanowią dobry wskaźnik oceny stanu maszyny. W diagnostyce drganiowej zakłada się, że wszystkie maszyny o ruchu obrotowym drgają, a energia drgań rośnie, gdy stan maszyny pogarsza się. Przy obecnym stanie techniki drgania da się dokładnie zmierzyć i zinterpretować. Monitorowanie drgań może mieć charakter ciągły oraz przebiegać w trybie online, z automatycznym zbieraniem danych w określonych odstępach czasowych. Bardzo często wykorzystuje się monitorowanie offline z okresowym ręcznym zbieraniem danych.
Przebieg badania
Podczas analizy przeprowadza się przede wszystkim pomiar przyspieszenia drgań, prędkości oraz przebiegów czasowych wibracji. Ważnym założeniem diagnostyki drganiowej jest określenie czasu, w jakim maszyna (oczywiście z zachowaniem najwyższego poziomu bezpieczeństwa użytkowania i procesu) może być eksploatowana. Istotną rolę odgrywa wartość skuteczna (RMS) prędkości drgań. To właśnie dzięki niej uzyskuje się możliwość oceny energii niszczącej. Bardzo często wnioski wysnuwane są na podstawie analizy widma drgań, które stanowi przetworzenie przebiegu czasowego wibracji w spektrum częstotliwości. Tym sposobem sygnał, który jest wytwarzany przez maszynę, dzieli się na poszczególne elementy składowe. Na podstawie budowy maszyny oraz jej podstawowych parametrów ruchowych jest możliwe przypisanie poszczególnych elementów do składowych widma drgań.
Wartości graniczne poziomu drgań
Zgodnie z normami ISO 10816 i ISO 7919 przyjmuje się strefy oceny maszyny. Drgania nowych maszyn, oddanych do eksploatacji zaliczane są do strefy A. Tym więc sposobem oznaczany jest stan dobry maszyny. Normy definiują również strefę B, gdzie maszyny są w stanie pracować bez ograniczeń. Mowa jest wtedy o stanie dopuszczalnym. Maszyny mogą być uznane za takie, które nie nadają się do pracy długotrwałej aż do momentu zainicjowania odpowiednich działań zapobiegawczych. W takim przypadku zalicza się je do strefy C, co stanowi stan jeszcze dopuszczalny. W świetle zapisów normy wyróżnia się także strefę D. To właśnie ona określa stan maszyny jako niedopuszczalny.
W przypadku diagnostyki bazującej na analizie drgań warto również sięgnąć do normy ISO 10816, która dzieli maszyny na cztery grupy w zależności od typu, a także mocy znamionowej lub wzniosu osi wału. Grupa 1. obejmuje maszyny o mocy znamionowej przekraczającej 300 kW. Zakres prędkości obrotowej mieści się pomiędzy 120 obr./min a 15 tys. obr./min. W konstrukcji maszyn tego typu niejednokrotnie uwzględnia się łożyska ślizgowe. Grupa 2. w świetle zapisów normy to maszyny o średniej mocy znamionowej mieszczącej się pomiędzy 15 kW a 300 kW. Pompy z wirnikami wielołopatkowymi i oddzielnym napędem, o mocy przekraczającej 15 kW uwzględnia grupa 3. W konstrukcji maszyn tego typu bardzo często przewiduje się łożyska ślizgowe lub toczne. Norma ISO 10816 definiuje również grupę 4., do której zaliczane są pompy z wirnikami wielołopatkowymi i wbudowanym napędem. Są to urządzenia odśrodkowe o mieszanym przepływie i o przepływie poosiowym o mocy powyżej 15 kW.
Wnioski z pomiarów
Założeniem diagnostyki drganiowej jest określenie przyczyn wysokich wartości drgań. Ważne pozostaje przy tym zdefiniowanie czasu, w jakim maszyna może być bezpiecznie eksploatowana. Nie bez znaczenia są działania korygujące, czyli określenie zakresu prac i części zamiennych po to, aby usunąć zagrożenie. Ważne jest zatem przeprowadzenie szczegółowej analizy widma drgań. W ten sposób jest możliwe rozbicie sygnału generowanego przez maszynę na składowe. Znając budowę oraz podstawowe parametry ruchowe maszyny, można poszczególnym składowym widma drgań przypisać generujące je elementy lub stany pracy maszyny. Podczas analizy należy pamiętać, że najczęstsze przyczyny podwyższonych poziomów drgań to niewyważenie mas wirujących, brak współosiowości wałów urządzenia napędzającego i napędzanego, ugięcia wałów, luzy lub uszkodzenia łożysk.
Podkreśla się, że w celu uzyskania optymalnych korzyści z diagnostyki drganiowej warto zadbać o monitoring maszyn. Porównanie danych zbieranych okresowo zapewnia wyznaczenie trendu zmian w odniesieniu do maszyny jako całości oraz jej określonych elementów.
W procesie wyznaczania ogólnej oceny maszyny wirującej kluczową rolę odgrywa wyznaczenie wartości RMS. Mierząc RMS drgań poprzez odniesienie do wartości granicznych dla danej grupy maszyn, można ocenić stan dynamiczny urządzenia. W praktyce wyróżnia się 4 strefy klasyfikacyjne: A, B, C i D. Przypisuje się im stany urządzenia określane jako dobry, zadawalający, przejściowo dopuszczalny i niedopuszczalny.
Wzbudniki drgań
Mówiąc o diagnostyce drganiowej, warto wspomnieć o wzbudnikach drgań, które służą do reprodukcji obciążeń. Urządzenia tego typu znajdują zatem zastosowanie w analizie strukturalnej, badaniu odporności na drgania czy kalibracji czujników drgań. Oferowane na rynku wzbudniki drgań cechują się wysoką sztywnością w kierunku poprzecznym i wzdłużnym. Istotne jest również zastosowanie w nich specjalnych magnesów, dzięki czemu zyskuje się znaczne upakowanie mocy przy stosunkowo niewielkich rozmiarach. Właściwości w tym zakresie są szczególnie istotne w aplikacjach, gdzie wzbudniki muszą być przenoszone w różne miejsca.
Wzbudniki wymuszają drgania. Elektrodynamiczne wzbudniki drgań umieszcza się na obudowie, która umożliwia wytwarzanie drgań zarówno w kierunku pionowym, jak i poziomym. Podstawa zazwyczaj umieszczana jest w wibroizolatorach. Wentylator gwarantuje chłodzenie wzbudnika drgań. Na kompletny system pomiarowy składa się system regulacji ze wzbudnikiem i wzmacniaczem.
Przegląd oferty
Firma Vibropomiar wykonuje pomiary drgań mechanicznych i naprężeń, ich analizę i interpretację wyników analiz. Badania te realizowane są dla wszystkich maszyn wirnikowych, maszyn tłokowych i urządzeń technicznych, które konstrukcyjnie lub technologicznie są powiązane z tymi maszynami. Do tych urządzeń należą m.in. konstrukcje stalowe hal przemysłowych, konstrukcje budynków, fundamenty i układy wsporcze pod maszyny oraz rurociągi. Pomiary naprężeń konstrukcji stalowych, fundamentów i układów wsporczych oraz rurociągów dotyczą zarówno naprężeń statycznych, jak i dynamicznych.
Z kolei firma Prutechnik Wibrem przeprowadza pomiary w dwóch trybach: online oraz offline. Pomiary online są realizowane poprzez zainstalowanie na stałe systemów pomiarowych. W tym zakresie do dyspozycji pozostaje Vibrex, czyli prosty system nadzoru ciągłego urządzeń na miejscu pracy oraz Vibronet, będący sieciowym systemem przeznaczonym do monitorowania dużej liczby urządzeń. Istotną rolę odgrywa przy tym rozproszenie maszyn oraz funkcje związane z powiadamianiem i analizą. W monitoringu offline podstawową metodą realizacji jest analiza trendów. W tym zakresie przeprowadza się szerokopasmowy pomiar wartości sumarycznej drgań (przemieszczenie lub prędkość w zależności od typu urządzenia i prędkości obrotowej oraz wymagań klienta), pomiar stanu łożyska tocznego metodą SPM oraz pomiar współczynnika kawitacji (dla pomp).
Firma As Instrument Polska oferuje mierniki impulsów uderzeniowych, które mierzą sygnał uderzeń na skali decybelowej przy dwóch poziomach. Mikroprocesor oszacowuje sygnał. Potrzebuje on danych wejściowych takich, jak określenie typu łożyska (numer wg ISO), prędkość toczna (obr./min) oraz średnica łożyska. Uszkodzenia powierzchni w łożyskach powodują znaczny wzrost siły impulsów uderzeniowych w połączeniu z wyraźną zmianą w charakterze pomiędzy impulsami silnymi a słabymi. Wartości uderzeń są w ten sposób natychmiast przekładane na pomiary względnej grubości filmu olejowego lub uszkodzenia powierzchni.
Urządzenie SVAN 958 firmy Svantek to czterokanałowy, cyfrowy miernik poziomu drgań i dźwięku klasy 1. W urządzeniu zastosowano wszystkie wymagane przepisami filtry korekcyjne. Do przyrządu można dołączyć trójosiowe przetworniki przyspieszenia do pomiaru drgań miejscowych lub ogólnych. Umożliwiają one, zgodnie z obowiązującymi przepisami, jednoczesny pomiar drgań w trzech osiach. Równocześnie z trójosiowym przetwornikiem drgań do przyrządu może być dołączony mikrofon do pomiaru poziomu dźwięku. W każdym z czterech kanałów można niezależnie wybrać rodzaj przetwornika (czujnik drgań lub mikrofon) oraz stałą czasową i filtr korekcyjny. Możliwa jest także praca miernika jako dozymetru hałasu (funkcja dodatkowa). Na przykład przyrząd SKF Microlog AX stanowi narzędzie przeznaczone do monitorowania stanu maszyn za pomocą analizowania sygnału wibracji poprzez czterokanałowe trasowe i beztrasowe pomiary oraz jedno- lub dwupłaszczyznowe wyważanie statyczne lub dynamiczne w zakresie od 10 (0,16 Hz) do 4,8 mln obr./min (80 kHz). W przypadku oceny stanu łożysk przyrząd bazuje na technologii analizy obwiedni przyspieszenia (gE). W konstrukcji urządzenia przewidziano cyfrowe przetwarzanie sygnałów oraz szybkie przetworniki A/C sigma-delta. Oprogramowanie przyrządu przewiduje między innymi moduł funkcji odpowiedzi częstotliwościowej, dzięki której szybko są określane właściwości struktury poprzez analizę modalną. Używa się w tym celu skalibrowanego młotka dla wywołania wymuszenia. Moduł ten jest również w stanie mierzyć funkcje przejścia pomiędzy dwoma przetwornikami podczas ruchu maszyny. Dzięki graficznej reprezentacji parametrów modalnych możliwe jest scharakteryzowanie struktury.
Interesujące rozwiązanie prezentuje również firma Timken. System Status Check przesyła dane w paśmie 2,4 GHz ISM przy zasięgu do 1 km (w otwartej przestrzeni). Częstotliwość wysyłania pomiarów może być parametryzowana z uwzględnieniem pięciu ustawień użytkownika. Poszczególne urządzenia systemu są w stanie pracować w temperaturze od -40° do 230°C. Obudowa wykonana jest z tworzywa sztucznego o stopniu ochrony IP67. Połączenie z komputerem bazuje na standardach RS-232, USB lub Ethernet.
Nietypowe rozwiązania oferuje producent urządzeń i oprogramowania do diagnostyki maszyn – firma Alitec. Przenośny system diagnostyki WiViD do zaawansowanej analizy sygnału i prezentacji danych wykorzystuje… smartfon. Komunikujące się z nim bezprzewodowo urządzenie pomiarowe nie tylko może rejestrować sygnał drgań (ma wbudowany wysokoczęstotliwościowy, trójosiowy akcelerometr), ale także pełni rolę kamery termowizyjnej. Użytkownik ma możliwość podłączenia zewnętrznego czujnika drgań (także trójosiowego) lub mikrofonu oraz bezprzewodowego czujnika prędkości obrotowej. Stacjonarny system monitorowania stanu maszyn SiBOX firmy Alitec pracuje autonomicznie, monitorując wartości kilku parametrów diagnostycznych dla każdego z nadzorowanych podzespołów maszyny. Jednocześnie, w przypadku wystąpienia awarii lub na żądanie operatora, sygnał drgań zapisywany jest na karcie pamięci i przekazywany do bazy danych oprogramowania dokonującego jego pełnej analizy. System może być obsługiwany zdalnie.
W ramach podsumowania warto wspomnieć o oprogramowaniu przeznaczonym do analizowania drgań. Aplikacje tego typu zapewniają analizowanie drgań, zarządzanie pomiarami, a także przechowywanie danych oraz tworzenie raportów. W niektórych rozwiązaniach przewiduje się procedury przeznaczone do prowadzenia testów strukturalnych i akustycznych, a także testów środowiskowych, kontroli oraz testów maszyn wirujących. Przydatną funkcję jest możliwość wkomponowania zebranych danych w proces symulacji. Oprogramowanie tworzy bazy danych maszyn, projektuje trasy pomiarowe oraz porządkuje zebrane wyniki. Z pewnością przydadzą się również funkcje przeglądania wyników w formie graficznej oraz sygnalizowania ostrzeżeń i alarmów.
UR
Autor: Damian Żabicki
