Dzięki rozwojowi technologii informatycznych i cyfrowego przetwarzania sygnału badania wibroakustyczne stały się niezawodną i często wykorzystywaną metodą diagnostyki technicznej.
Pełen artykuł w wersji Flipbook>>>
Okres gorszej koniunktury na rynku to dobry moment, by szukać możliwości optymalizacji pracy i zwiększania żywotności maszyn przy obniżaniu kosztów ich utrzymania. Zastosowanie wibrodiagnostyki zapewnia optymalizację kosztów utrzymania parku maszynowego i ograniczanie przestojów.
Zmiany w poziomie drgań i generowanie zwiększonego hałasu to jeden z wczesnych objawów nieprawidłowej pracy. Jeśli zostanie zlekceważony, może to spowodować szybsze zużycie maszyn, a w konsekwencji awarie i zakłócenia w procesie produkcyjnym. Niestety obserwuje się tendencję do ograniczania liczby wykonywanych badań, takich jak wibroakustyczne czy termowizyjne, w okresie międzyremontowym. Takie oszczędności w dłuższym czasie mogą paradoksalnie generować znacznie większe koszty.
Dziś do badań stanu dynamicznego maszyny wykorzystuje się częstotliwościową analizę sygnału FFT (Fast Fourier Transform – szybka trasformacja Fouriera), czyli analizę widmową. W trakcie badania zbiera się informacje zarówno o wielkości drgań, jak też o ich częstotliwości i łącznym poziomie. Badania wibroakustyczne są od wielu lat rozwijane i doskonalone. Warto przypomnieć, że głównymi twórcami wibroakustyki są polscy naukowcy, wywodzący się przede wszystkim z Akademii Górniczo-Hutniczej, którzy jako jedni z pierwszych zaczęli zajmować się tą dziedziną wiedzy. Pionierami w tej dziedzinie są Zbigniew Engel, który sformułował definicję, cele oraz zadania wibroakustyki, i Czesław Cempel – autor cieszących się dużym uznaniem na świecie podstawowych publikacji w tej dziedzinie.
W niektórych praktycznych implementacjach stosuje się bardziej złożone metody analizy. Janusz Kokociński z Instytutu Energetyki, Oddział Techniki Cieplnej ITC w Łodzi wymienia w jednym z artykułów m.in. takie metody, jak: analiza cepstralna – szczególnie przydatna przy badaniach przekładni zębatych, a przy badaniach drgań łopatek turbin – wykresy Campbella oraz wykresy Body’ego do określenia prędkości krytycznej wałów. Z kolei przy uszkodzeniach łożysk, poza analizą widmową FFT, stosuje się również pomiary kurtozy lub obwiedni sygnałów (metoda stosowana w badaniach uszkodzeń przekładni zębatych). W praktyce podstawą oceny stanu dynamicznego maszyny jest wiedza o dopuszczalnych wibracjach, którą producent powinien umieścić w dokumentacji techniczno-ruchowej (DTR). Jeśli takich nie ma, dopiero wtedy można posłużyć się odpowiednimi normami i własnym doświadczeniem.
Diagnostyka wibroakustyczna w praktyce
Jak mówi Piotr Łukaszewski z firmy Motor-monitor, nie wszyscy mają świadomość, czy i jakie oszczędności przyniesie diagnostyka zastosowana dla ich parku maszynowego. Wątpliwości budzi też to, czy zdecydować się na prowadzenie diagnostyki siłami własnymi, bo chyba nikt z nas nie poddałby się operacji lekarzowi, który ukończył tylko kurs chirurgii. Zwraca też uwagę, że zakup sprzętu i oprogramowania powinien być poprzedzony dokładną (czyli też dłuższą) analizą. Na pewno nie należy podejmować decyzji na podstawie oświadczeń handlowców. Zdaniem Piotra Łukaszewskiego najlepszym rozwiązaniem jest zaprosić firmę diagnostyczną i wyspecyfikować rodzaj oraz częstotliwość problemów eksploatacyjnych. Dobry diagnosta powinien podpowiedzieć, jakie metody są odpowiednie do skutecznego diagnozowania. Czasami problem może być rozwiązany bez diagnostyki lub jednorazowym działaniem, modyfikacją procedur itp.
Firma RCC Nova zajmuje się diagnostyką oraz rozwiązywaniem problemów wibroakustycznych m.in. w przemyśle maszynowym. Jak podkreśla Iwona Gierłach, prezes zarządu RCC Nova, badania wibroakustyczne prowadzone są w kontekście trwałości, przewidywania okresów przeglądowych oraz planowania prac serwisowych. Innym, równie istotnym celem takich badań może być podwyższenie wydajności maszyny z zachowaniem bezpiecznych warunków pracy w zakresie generowanych drgań oraz hałasu. Jako przykład podaje maszynę papierniczą, która pracuje z reguły w zakresie prędkości projektowej założonej dla docelowego procesu produkcyjnego. Producenci papieru, pragnąc zwiększyć wydajność produkcji, podejmują próby przyspieszania maszyn powyżej ich prędkości projektowej, łatwo podnosząc wskaźniki wydajności fabryki. Maszyna papiernicza to układ o wysokiej dynamice, gdzie aspekty drganiowe bezwzględnie powinny być rozważone przy zmianie warunków pracy na bardziej wymagające. Iwona Gierłach podkreśla, że ze względu na konieczność utrzymania maszyny w stanie operacyjnym zwykle przez ponad 90% czasu, należy bezwzględnie upewnić się, czy zmiana warunków pracy nie spowoduje szybszego zużycia maszyny, nieprzewidywanych awarii, problemów z jakością produktu. Przyczyną takich problemów są z kolei niepożądane drgania, których wartości mogą rosnąć drastycznie po przekroczeniu krytycznej prędkości pracy maszyny. Jak mówi Iwona Gierłach, pomiary oraz analizy drganiowe prowadzą do identyfikacji występujących zjawisk, detekcji „słabych” punktów, a celem ostatecznym jest wypracowanie zaleceń, które zapewnią eliminację problemu drganiowego.
Problemy dotyczące wibroakustyki, z jakimi zgłaszają się do firmy klienci to: identyfikacja źródeł niekorzystnych drgań i hałasu, zagrażających bezpieczeństwu pracy obsługi oraz bezpieczeństwu pracy maszyny, określenie własności dynamicznych maszyny, urządzenia, struktury – pod względem możliwości wystąpienia rezonansów w zakresie wymuszeń określonymi częstotliwościami (aplikacje obrotowe) oraz rozwiązania problemów związanych z drganiami lub hałasem poprzez: modyfikacje strukturalne, wytłumienia oraz wygłuszenia przy użyciu nowoczesnych materiałów, optymalizację warunków pracy maszyny.
Urządzenia
Obserwujemy bardzo szybki rozwój diagnostyki technicznej. Dysponujemy już sprawdzonymi narzędziami i technologiami, służącymi do oceny stanu technicznego maszyny lub urządzenia dzięki badaniu własności procesów towarzyszących pracy maszyny. W efekcie możemy ocenić kondycję linii produkcyjnej, maszyn i przewidzieć możliwość awarii.
W opinii wielu fachowców na rynku brakuje niedrogich wielofunkcyjnych urządzeń do wielokanałowej analizy sygnału. Sytuacja w tym zakresie powinna się jednak systematycznie poprawiać. Jak mówi Piotr Łukaszewski, zmiany są dość typowe dla wszelkich urządzeń elektronicznych. Podstawy, czyli to, co składa się na tor pomiarowy, nie zmieniły się od wielu lat. Nowszy sprzęt daje większy komfort pod względem szybkości działania. Jego obsługa jest bardziej intuicyjna. Rosną możliwości oprogramowania takiego sprzętu w zakresie szybkości i funkcji analitycznych. Łukaszewski zwraca uwagę na to, że dziś dzięki sieci „surowe” wyniki pomiarów mogą być przesyłane do doświadczonych analityków, którzy – jeśli tylko mają doświadczenie w diagnostyce określonych agregatów – odeślą gotowy raport o stanie maszyn. Dla użytkownika to realna możliwość obniżenia kosztów – nie trzeba inwestować w pracowników diagnostów. Według Piotra Łukaszewskiego jesteśmy na ścieżce szybkiego rozwoju. Mamy czujniki bezprzewodowe do nadzoru online, choć wydaje się, że w tym obszarze panuje jeszcze trochę chaosu i ich zastosowanie ogranicza się obecnie raczej do funkcji informacji i zabezpieczeń.
Z kolei Iwona Gierłach wśród technologii w zakresie badań wibroakustycznych oferowanych przez rynek oraz wykorzystywanych przez jej firmę wymienia np. wielokanałową akwizycję danych, umożliwiającą pomiar oraz analizę drgań i hałasu w funkcji czasu. Mówi też o prędkości obrotowej (aplikacje obrotowe) czy analizie rzędów – poprzez próbkowanie synchroniczne (liczba próbek zależy od prędkości obrotowej maszyny), gdy możliwe jest skorelowanie zjawisk akustycznych lub drganiowych z prędkością obrotową maszyny – ocena harmonicznych. Korzysta się również z analizy częstotliwościowej – ocena rezonansów, wyznaczanie postaci operacyjnych drgań (deformacja struktury dla poszczególnych częstotliwości drgań), a także wyznaczania częstości własnych oraz postaci drgań – poprzez prowadzenie eksperymentu modalnego (wymuszenie impulsowe) lub pomiar eksploatacyjny. Kolejna wykorzystywana technologia to określanie sposobu rozchodzenia się energii wibroakustycznej w strukturze, z użyciem nowoczesnych narzędzi analizy drgań oraz optymalizacja parametrów wibroakustycznych przy użyciu metod projektowania wirtualnego i nowoczesnych technik pomiarowych.
Jak wynika z przedstawionych opinii, choć specjalistyczne oprogramowanie diagnostyczne w coraz większym stopniu wspiera pracę diagnosty, to nadal podstawą jest jego wiedza i doświadczenie. Dlatego w zależności od częstotliwości i zakresu prowadzonych badań wibroakustycznych warto rozważyć wytypowanie w ramach firmy osoby lub osób, które mogłyby po odpowiednim przygotowaniu prowadzić takie badania lub skorzystanie z oferty outsourcingu w zakresie diagnostyki wibracyjnej. Warto też zwrócić uwagę na dostępne w tym zakresie bazy wiedzy, np. firmy SKF (która ma w ofercie rozwiązania od tzw. pióra do kontroli wibracji, przez analizatory offline do systemów online). Analizatory SKF Microlog są dostępne w prekonfigurowanych zestawach, które zawierają moduły spełniające wymagania danego przemysłu lub mogą być one dokupione oddzielnie. Dzięki nim jest możliwa obsługa prewencyjna maszyn wirujących, ułatwiając zbieranie, analizowanie i przekazywanie danych o stanie maszyny. Przyrządy serii Microlog zawierają dwa typy analizatorów: oparte na trasach pomiarowych, które współpracują z oprogramowaniem do obsługi prewencyjnej, oraz bez-trasowe przyrządy, które oferują pomiary na miejscu z możliwością analizy.
Dziś producenci maszyn i linii produkcyjnych oferują systemy diagnostyczne stanowiące doposażenie maszyn, umożliwiając zarówno bieżący monitoring, jak i analizę ekspercką parametrów ich pracy. Ma to na celu optymalizację pracy oraz zapobieganie mogącym występować zagrożeniom. Na przykład wśród systemów diagnostycznych produkowanych przez Grupę FAMUR znajdują się nowoczesne systemy monitoringu, m.in. FAMAC VIBRO. Z kolei SCHENCK RoTec Polska oferuje SmartBalancer – urządzenie do wyważania zainstalowanych wirników bez konieczności demontażu maszyn. Umożliwia jedno- i dwupłaszczyznowe wyważanie praktycznie każdego wirnika, ma opcje diagnostyczne, takie jak pomiar całkowitych drgań, analiza historii czasu drgań czy analiza częstotliwości FFT. Dzięki opcjonalnemu modułowi do oceny stanu łożysk wałeczkowych rozszerza się zakres jego zastosowania, bo wykonując analizę widma, wykrywa okresowe uderzenia spowodowane przez uszkodzenia łożysk i przekładni.
Na rynku działają też wyspecjalizowani, niezależni dostawcy rozwiązań do monitoringu stanu maszyn. Przykładem Brüel & Kjær Vibro, znaczący na świecie dostawca rozwiązań do monitorowania stanu maszyn wirnikowych. Firma jest niezależna od producentów maszyn i dostawców kontroli procesów systemowych, co – jak podkreśla – oznacza, że oferowane rozwiązania monitoringu są obiektywne. Brüel & Kjær Vibro ma ponad 50 lat doświadczenia w monitorowaniu wielu rodzajów maszyn w wielu gałęziach przemysłu. Wśród głównych światowych dostawców urządzeń i rozwiązań z zakresu wibroakustyki poza firmą Brüel & Kjær wymienia się też: HEAD acoustics, Norsonic, National Instruments oraz LMS International. Wymienia się również firmę GE Bently Nevada (od roku 2002 jest to marka GE Energy), będącą synonimem ochrony maszyn i monitorowania ich stanu od ponad 50 lat, czy też niemiecką PRÜFTECHNIK, reprezentowaną na naszym rynku przez firmę Pruftechnik-Wibrem (powstała w 1999 r. jako joint venture z Przedsiębiorstwem Remontowym Energetyki WIBREM z Wrocławia).
Z kolei Hansford Sensors specjalizuje się w projektowaniu i produkcji szerokiej gamy czujników drgań i temperatury dla maszyn przemysłowych. Firma już od kilku lat oferuje rozwiązania umożliwiające wykonywanie pomiarów wibrodiagnostycznych. AS Instrument Polska to wyłączny przedstawiciel na naszym rynku szwedzkiej firmy SPM Instrument. Ma w ofercie m.in. przenośne przyrządy do monitorowania stanu maszyn w tym tester drgań.
Na polskim rynku funkcjonują też takie firmy, jak założona w 1990 r. SVANTEK, zajmująca się projektowaniem oraz produkcją profesjonalnej aparatury do pomiaru i analizy dźwięku oraz wibracji. Przyrządy pomiarowe produkowane przez firmę dostarczane są z oprogramowaniem komputerowym SvanPC+. MBJ electronics też jest polskim producentem aparatury przeznaczonej do drganiowej diagnostyki maszyn. Firma działa od 1992 r. i, jak informuje, dostarcza użytkownikom oprócz sprzętu pomiarowego również wiedzę niezbędną do jego pełnego wykorzystania. Dostarcza aparaturę przeznaczoną przede wszystkim dla działów: mechanicznych, remontowych i służb utrzymania ruchu, jak też do jednostek kontroli jakości. Również ENVIBRA jest dostawcą technologii do badań wibracyjnych, aparatury kontrolno-pomiarowej oraz usług serwisowych.
Przyjmuje się, że tam, gdzie pracy urządzenia, maszyny towarzyszy emisja fal mechanicznych i akustycznych, można wnioskować o ich stanie. Z praktycznego punktu widzenia, w przypadku diagnostyki eksploatacyjnej maszyn o ruchu ciągłym, można dziś zastosować stały nadzór lub inspekcję diagnostyczną. To drugie rozwiązanie stosuje się dla maszyn o mniejszym znaczeniu w procesie produkcji albo o małej intensywności zużywania się. W takich przypadkach wystarczy też np. jednopunktowy pomiar drgań.
Analizując aspekt ekonomiczny badań wibroakustycznych maszyn, trzeba też brać pod uwagę, że diagnostyka wibroakustyczna wpływa nie tylko na żywotność maszyny, ale też często na jakość finalnego produktu. Również poprawa wydajności maszyny to zmniejszenie kosztów jej utrzymania. Warto też pamiętać, że na diagnostykę z wykorzystaniem wibroakustyki wpływa wiele czynników. To nie tylko takie procesy, jak pomiar i analiza uzyskanych wyników, ale też – jak podkreślają specjaliści – wnioskowanie wymagające syntezy. Ostatni z wymienionych elementów opiera się na doświadczeniu. Często też niedoceniane są informacje zwrotne uzyskane od użytkowników, np. takie, jak dane o ingerencjach mechanicznych w obiekt i objawach zakłócających proces technologiczny. Niebranie ich pod uwagę i mechaniczne odczytywanie danych z urządzenia jest przyczyną wielu błędów. Może to czasem budzić wątpliwości co do praktycznej wartości tego typu badań.
Oczywiście, jeśli chodzi o badania wibroakustyczne, trzeba również uwzględnić, że generowanie przez urządzenie nadmiernych drgań to nie tylko sygnał o możliwym uszkodzeniu lub zużyciu, ale również zagrożenie dla obsługi i potencjalna przyczyna wielu chorób zawodowych.
UR
Autor: Bohdan Szafrański
