Analiza drgań w utrzymaniu ruchu – co wibracje mówią o stanie maszyn

353

Każda maszyna będąca w ruchu generuje drgania. Jeśli jednak ich wartości przekraczają dopuszczalne limity, mogą mieć negatywny wpływ na pracę urządzenia i zdrowie pracowników. Dlatego wczesne wykrywanie tego typu odchyłek ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia niezakłóconej pracy parku maszynowego.

Niewyważenie, niewspółosiowość, luzy mechaniczne, uszkodzenie elementów tocznych łożysk, łopatek rotora i zębatek przekładni – wszystkie te nieprawidłowości mają jedną cechę wspólną: można je łatwo zidentyfikować z wykorzystaniem analizy drgań układu. Wszystkie powodują bowiem powstawanie wibracji, których przyspieszenie, prędkość i/lub przemieszczenie nie mieszczą się w ustalonych normami lub opisanych w DTR limitach. Do ich badania służą analizatory drgań (tzw. wibrometry) składające się z przetwornika, układu pomiarowego lub mikroprocesora oraz pamięci do zapisywania wyników analizy. Nie każdy wibrometr pozwala jednak uzyskać miarodajne rezultaty pomiaru. Wiele zależy od tego, co i jaką metodą jest mierzone.

Pomiar pomiarowi nierówny

W analizie drgań obowiązuje jedna generalna zasada: przedmiot określa metodę pomiaru. Innymi słowy: nie każdy obiekt można mierzyć w ten sam sposób. W praktyce najprostsza metoda – pomiar drgań całkowitych RMS zgodnie z normą ISO, np. prędkości drgań w mm/s w zakresie do 1000 Hz – dostarcza jedynie informacji o chwilowym przekroczeniu ustalonego limitu dla jednej, izolowanej zmiennej drgań. Dlatego stosuje się ją głównie do pomiarów ciągłych, w których na podstawie owych wartości można wyznaczyć bardziej ogólny trend.

Zdaniem ekspertów dużo skuteczniejszą metodą jest częstotliwościowa analiza sygnału (tzw. analiza widmowa, FFT), która dostarcza informacji nie tylko o wielkości drgań, ale też ich częstotliwości i poziomie całkowitym w funkcji czasu. Dzięki temu można ją z powodzeniem stosować także do realizacji bardziej złożonych pomiarów, np. badania uszkodzeń łożysk – najczęstszej przyczyny awarii maszyn wirujących.

Osobnego potraktowania wymagają także badania, które mają na celu identyfikację uszkodzeń przekładni zębatych, lokalizację źródeł drgań czy określenie częstotliwości rezonansowych maszyny. W pierwszym przypadku można dodatkowo zastosować analizę cepstralną (odwrotną analizę widmową) i analizę obwiedni sygnałów. Ta ostatnia (obok pomiaru kurtozy) jest często wykorzystywana także w badaniu łożysk. Zaś w określeniu źródeł wibracji pomaga koherencja i korelacja sygnałów.

Przetwornik, czujnik zbliżeniowy czy laser?

Zarówno dobór odpowiedniej metody analizy, jak i określenie dopuszczalnego limitu drgań wymaga nie tylko rozbudowanej wiedzy, ale przede wszystkim doświadczenia. To, jaki próg wartości należy uznać za alarmowy, zależy bowiem nie tylko od zapisów norm i DTR, ale także m.in. od środowiska pracy urządzenia, np. rodzaju posadowienia. Dlatego na tym etapie warto skorzystać z pomocy dostawcy urządzeń diagnostycznych lub niezależnego usługobiorcy, który pomoże każdorazowo dobrać odpowiednią metodę analizy, miernik i limity drgań.

Główną oś podziału będzie tu wyznaczał charakter drgań: do pomiaru drgań bezwzględnych wykorzystywane są bowiem akcelerometry piezoelektryczne i czujniki elektrodynamiczne, zaś do pomiaru drgań względnych (np. wałów) – czujniki bezstykowe lub laser. Mogą być one zamocowane na stałe w maszynie, realizując pomiar w sposób ciągły, lub zintegrowane z miernikiem i wykorzystywane doraźnie. Czujniki przetwarzają zarejestrowane impulsy w sygnały elektryczne, które można analizować w czasie rzeczywistym lub zarejestrować w postaci cyfrowej bądź analogowej, a następnie przesłać do zewnętrznego systemu przetwarzania danych (komputera).

Analogicznie mierniki drgań podzielić można na rejestratory (analogowe lub cyfrowe) służące generalnie do zbierania danych z przetworników i przesyłu ich do zewnętrznej bazy danych oraz analizatory, które samodzielnie przeprowadzają operacje analizy zbieranych sygnałów, a tym samym nie wymagają integracji z komputerem. Te drugie umożliwiają realizację pomiarów w terenie – bez konieczności połączenia z bazą danych. Podobne funkcje oferuje także najnowsza grupa urządzeń do analizy widma akustycznego – wibrometry laserowe. Mierniki te emitują wiązkę laserową, która, odbita od obiektu, jest wykrywana przez detektor. Pomiar polega tu na zdefiniowaniu różnicy częstotliwości emitowanej i wracającej fali świetlnej. Z kolei amplitudę drgań można mierzyć, oddalając i przybliżając źródło światła do jego odbiornika. Ogromną zaletą mierników laserowych jest możliwość dokonywania bezdotykowych pomiarów na odległość bez konieczności rozbudowanej parametryzacji – źródło laserowe wystarczy nakierować na obiekt.

Coraz więcej  zastosowań

Jeśli wibrometr laserowy wyposażymy w statyw i odpowiednie oprogramowanie, można go wykorzystać do badania dużych, odległych struktur, np. wielkogabarytowych maszyn czy obiektów architektonicznych (funkcja teledetekcji). I właśnie w kierunku takiej wąskiej specjalizacji zmierza rynek: w sprzedaży dostępne są już także m.in. urządzenia do pomiaru drgań skrętnych, wysokich prędkości czy mikrostruktur.

Wraz z rozwojem asortymentu urządzeń zwiększa się także zakres zastosowań analizy drgań: oprócz typowego pomiaru wibracji w funkcji czasu możliwa jest już także analiza rzędów, czyli próbkowanie synchroniczne pozwalające na skorelowanie zjawisk drganiowych z prędkością obrotową, ocena rezonansów, wyznaczanie postaci drgań, a także analiza sposobu rozchodzenia się energii drgań w strukturze w celu optymalizacji parametrów wibroakustycznych obiektów w ruchu.

Ta ostatnia funkcja uwypukla nowy aspekt analizy drgań: coraz częściej jest ona bowiem wykorzystywana także do oceny i korekty zmian poziomu drgań układu w procesach zwiększania wydajności maszyn poza zakres prędkości projektowej. Wciąż jednak podstawowym celem badania wibracji jest utrzymanie ruchu, a konkretnie: zapewnienie wysokiej żywotności maszyn, przewidywanie przeglądów oraz planowanie prac serwisowych. Umożliwia ono bowiem określenie faktycznego zużycia poszczególnych komponentów, a także lokalizację części eksploatacyjnych wymagających wymiany. Pozwala więc usunąć przyczynę usterki, zanim się ona pojawi. A stąd już prosta droga do predykcyjnego utrzymania ruchu.

Komentarz eksperta

„Spośród wszystkich dostępnych parametrów procesowych, które można zmierzyć w przemyśle bez żadnej ingerencji w pracę maszyny drgania zawierają najwięcej informacji” – mawiał niegdyś niekwestionowany autorytet Art Crawford. I rzeczywiście na przestrzeni ostatnich dekad niewiele się w tej kwestii zmieniło. Wibrodiagnostyka nadal pozostaje najczęściej wykorzystywaną technologią w predykcyjnym podejściu do utrzymania ruchu zakładów produkcyjnych.Co więcej, nieustający rozwój tej metody pozwala na coraz szersze zastosowanie oraz precyzyjną diagnostykę i analizę pozyskanych wyników nawet w najbardziej niedostępnych i niebezpiecznych miejscach.Nowoczesne technologie i rozwój cyfryzacji umożliwiły przejście wibrodiagnostyki do Przemysłu 4.0 i IIoT dając nowe, niemal nieskończone możliwości. Firma I-Care, jako dostawca kluczowych rozwiązań w zakresie predykcyjnego utrzymania ruchu,także się przyczyniła do tego rozwoju. Od 2013 na całym świecie wdrażamy i rozwijamy autorskie rozwiązanie o nazwie Wi-care™. Jest to grupa najbardziej zaawansowanych technologicznie czujników drgań i temperatury wyposażonych w bezprzewodowe moduły komunikacji obsługiwane za pomocą internetowego portalu I-see™ do przetwarzania i archiwizacji danych. Wykorzystanie technologii Plug&Play pozwala na niezależną pracę na akumulatorach bez konieczności czasochłonnego montażu, konfigurowanie pracy kilku urządzeń na raz i zdalną obsługę oraz analizę danych za pomocą wykorzystania Big Data w chmurze. Mimo tak szerokich możliwości, w mojej ocenie, potencjał wibrodiagnostyki wciąż jest jednak nadal zbyt rzadko wykorzystywany na naszym rodzimym rynku.

W wibrodiagnostyce drzemie ogromny potencjał, który dobrze wykorzystany pozwala na niebagatelne oszczędności i jednocześnie wspiera generowanie dużych zysków w parkach maszynowych. Efektywne wykorzystanie tych możliwości jest więc kluczem do sukcesu
w predykcyjnym utrzymaniu ruchu, w którym na co dzień wspieramy naszych klientów.

Łukasz Szumilas – Prezes Zarządu I-Care Polska Sp. z o.o.

 

Źródło: Redakcja Portal Przemysłowy.pl