Wibrodiagnostyka maszyn - skuteczne działania prewencyjne dzięki dopasowanym technologiom

Które technologie zapewniają pełną diagnostykę maszyn? Często słyszę takie pytania. Nawet znając odpowiedź, bardzo często firmy decydują się na wybór rozwiązania wyłącznie na podstawie ceny, bez zastanowienia się nad tym, czy zakupiony sprzęt (zarówno przenośny, jak i system kontroli ciągłej) faktycznie będzie w stanie zdiagnozować stan maszyn.

Typowym przykładem takiego zachowania, niestety negatywnym, jest powszechne stosowanie metod wibroakustycznych, takich jak pomiar drgań całkowitych w wersji RMS zgodnie z normą ISO, np. prędkości drgań w mm/s w zakresie do 1000 Hz.

Jeśli klient decyduje się na tę technologię, np. w postaci przenośnego wibrometru, to za niską ceną dostaje niewystarczającą ocenę tego, co się dzieje na maszynie. Doświadczony użytkownik maszyny w sposób subiektywny równie dobrze może ocenić poprzez dotknięcie ręką, czy drgania są wysokie czy niskie, średnie czy też bardzo wysokie.

Oczywiście kupujący może świadomie rezygnować ze szczegółowej wiedzy na temat kondycji użytkowanej maszyny, gdy nie chce nic więcej wiedzieć poza jej ogólnym obrazem. Metoda wibroakustyczna z pomiarem RMS ma oprócz ceny jedną istotną zaletę: jest łatwa do zrozumienia i wykonania.

Rys. 1. ISO Kierunki pomiarowe

Pomiar zgodnie z procedurą składa się z kilku etapów:

  1. Pomiar w 3 kierunkach zgodnie ze standardem (sprzętem przenośnym przez operatora lub zainstalowanymi na stałe na maszynie przetwornikami drgań).

  2. Porównanie wyników z posiadaną tabelą wartości uważanych za akceptowalne, podwyższone i nieakceptowalne, zagrażające w trakcie dalszej eksploatacji awarią. Tabele znajdują się w normach ISO lub ich odpowiednikach krajowych, a także są przepisywane do DTR lub tworzone branżowo na podstawie doświadczeń producenta maszyn.

  3. Decyzja o podjęciu działań przez służby UR (dalsza eksploatacja, zatrzymanie maszyny, lub rewizja, np. osiowanie zespołu maszyn przy najbliższym planowanym postoju ) w oparciu o te tabele, historię eksploatacji, czasami też o intuicję na bazie własnych doświadczeń.

Na rys. 2. zostały przedstawione statystycznie najczęściej występujące przyczyny awarii maszyn.

Rys. 2. Bezpośrednie przyczyny awarii maszyn

Problemy z łożyskami

Niezależnie od źródeł tych statystyk najczęstszym problemem w maszynach z łożyskowanym wałem są właśnie przede wszystkim łożyska. Niezależnie czy zestawienia pochodzą od producentów silników, czy przekładni zębatych, czy innych maszyn wirnikowych, to słupek nr 1 zawsze będzie dominujący. W przypadku łożysk technologia wibroakustyczna pomiaru drgań w zakresie do 1000 Hz zgodnie z normą jest metodą nieskuteczną, zawodną i niewystarczającą do prewencyjnego wykrywania problemów łożyskowych. Zresztą podobnie jest w przypadku innych zjawisk takich jak niewywaga, nieosiowość itd., gdyż ta technologia rzadko jest w stanie rozróżnić w sposób jednoznaczny, co w danym momencie stanowi największe zagrożenie.

Dlatego też system diagnostyczny wyposażony w wibroakustykę znormalizowaną, opartą na wartościach RMS do 1000 Hz, ma szanse się sprawdzić tylko w wąskim zakresie, najkorzystniej do monitorowania drgań w sposób ciągły. Wtedy rejestrowany na bieżąco trend wartości mierzonej pozwala na obserwację, czy poziom drgań przekracza ustawione progi alert – alarm zgodnie z DTR lub normą dla określonej maszyny. Tyle że wartości tych progów są tematem wielu dyskusji wśród pracowników służb UR, gdyż ich doświadczenia często odbiegają od sugerowanego poziomu. Ponadto nie zawsze jest brane pod uwagę środowisko pracy diagnozowanych urządzeń. Kondycja maszyny będzie identyczna, za to poziom drgań będzie zmienny zależnie od faktu, czy maszyna jest posadowiona na sztywnym fundamencie, czy na układach sprężystych, czy też stoi bezpośrednio na płycie na stacji prób. Podobnie w przypadku prędkości roboczych z użyciem falownika. Oczywiste, że inny poziom drgań będzie dla niskich obrotów, a inny dla obrotów wielokrotnie wyższych.

Ponadto to już nie będzie rozwiązanie tanie, a w tej cenie można zakupić kilka mniej albo bardziej zaawansowanych przyrządów przenośnych. Przenośne, wielofunkcyjne analizatory w swojej konfiguracji mogą mieć technologie, które faktycznie spełniają warunki prewencji oraz predykcji i wykrywają uszkodzenia maszyn natychmiast albo w krótkim czasie po ich wystąpieniu.

Wibrodiagnostyka z opcją FFT

Taką droższą technologią, ale umożliwiającą za to szczegółową analizę zjawisk drganiowych, jest wibrodiagnostyka z zapisem sygnału czasowego z opcją FFT. Wynikiem będzie wyświetlony przebieg sygnału drgań w osi czasu lub za pomocą matematycznego algorytmu (tzw. dyskretnej transformaty Fouriera) przetworzony przebieg sygnałów w osi częstotliwość drgań.

Jest to znany od wielu lat algorytm transformowania sygnałów o określonej częstotliwości i amplitudzie na pik o tej właśnie charakterystyce tak jak na rys. 3.

Rys. 3. Częstotliwość sinusoidy

Opracowana w 1965 r. przez Amerykanów J.W. Cooleya i J. Tukeya „dyskretna” transformata w wibrodiagnostyce wykorzystuje fakt, że skoro wał obraca się z określoną prędkością w obr./min, to znaczy, że obraca się w cyklach na minutę [Cpm] lub w Hz [obroty/60]. Zjawiska drganiowe nazywane symptomami będą więc albo ściśle związane z częstotliwością obrotów, np. niewywaga lub nieosiowość wału jednej maszyny względem drugiej, albo symptomami będą drgania określonych części maszyn lub zjawiska związane ściśle z charakterystyczną konstrukcją diagnozowanej maszyny. Klasyczny przykład to drgania łopatek wentylatora lub zębów określonego koła zębatego w przekładni.

Wykrywane symptomy w wyświetlanym przebiegu drgań o charakterystycznym wzorze i miejscu występowania informują o potencjalnym zagrożeniu awarią.

Podobnie jest w przypadku zapisanego sygnału czasowego, gdyż obecnie elektronika systemów pomiarowych radzi sobie ze szczegółowym zapisem drgań w czasie ułamka sekundy. W przebiegu czasowym o wiele łatwiej można diagnozować problemy występujące dokładnie co obrót lub dokładnie o ten sam odstęp czasu, np. w uszkodzeniach łożysk tocznych (rys. 4.).

Rys. 4. Uszkodzenie łożyska tocznego

Należy jednak pamiętać, że w przypadku korzystania wyłącznie z widma drgań z wykorzystaniem FFT mogą być wykrywane tylko symptomy, które mają swój charakterystyczny wzór, regularność i zauważalne amplitudy. Zjawiska bez charakterystycznego wzorca, nawet przy destrukcyjnym wpływie na kondycję maszyny, nie będą zauważone.

Mimo wszystko metoda szczegółowej analizy drgań z zapisanym przebiegiem czasowym i wykorzystująca algorytm FFT jest technologią wibrodiagnostyczną o największych możliwościach, najszerzej i szczegółowo analizującą stan różnych części i zespołów maszyn.

Świadomie używam sformułowania „wibrodiagnostyka”, a nie „wibroakustyka”, gdyż w zależności od potencjalnych symptomów zakres wykorzystywanych obecnie częstotliwości pomiarowych może znacznie przekraczać 1000 Hz (pomiary znormalizowane drgań) oraz 22 kHz dla pomiarów akustycznych. Obecnie już wiemy, że dopiero w zakresie wyższych częstotliwości można wykryć problemy z kołami zębatymi (powyżej 20 kHz), łożyskami (powyżej 30 kHz) czy kawitacją lub smarowaniem łożysk (powyżej 40 kHz).

Technologie wysokoczęstotliwościowe

Aby spełnić wymóg prewencji, najwcześniejsze wykrywanie zagrożeń w łożyskach tocznych jest możliwe tylko poprzez pomiar drgań z filtrem wysoczęstotliwościowym. Stąd od kilku lat powiększa się gama technologii wysokoczęstotliwościowych, ukierunkowanych na wibrodiagnostykę stanu łożysk tocznych na ruchu (Spike Energy Spectrum [gSE], PeakVue, Spectral Emitted Energy, ENV Acc i HFD i HD ENV). 

Najlepszą obecnie metodą specjalizowaną do wibrodiagnostyki łożysk tocznych jest SPM HD opracowana przez szwedzkiego producenta systemów diagnostycznych SPM Instrument. Jako jedyna obecnie metoda ta diagnozuje za pomocą jednego specjalnie skalibrowanego przetwornika w jednym pomiarze zarówno kondycję łożyska z punktu widzenia mechanicznej współpracy elementów składowych, jak i jakość filmu smarnego.

To bardzo istotne, gdyż statystycznie najczęstszym powodem awarii są problemy z jakością smarowania, a także istotny jest występowanie zanieczyszczeń w czynniku smarnym.

Rys. 5. Statystyka przyczyn uszkodzeń łożysk tocznych wg producentów.

W metodzie SPM HD wyniki są przedstawiane i w postaci dwóch wartości liczbowych, i przebiegów w domenie czasowej oraz częstotliwościowej. W przypadku liczb dolna wartość określa jakość smarowania, górna – ocenę mechaniczną wg SPM Instrument. Ocena bazuje na porównaniu zmierzonej wartości z wartością dla łożyska o tej samej średnicy wału pracującego z tą samą prędkością obrotową. Matryca progów odniesienia stanowi rezultat wcześniejszych pomiarów łożysk tocznych ponad 30 światowych producentów.

W przypadku szczegółowej analizy mechanicznej zapisywany jest przebieg czasowy, który może być przetworzony na obraz widma łożysk z wykorzystaniem algorytmu FFT, a diagnostyka polega na ocenie problemów jak w klasycznej technologii z widmem drgań z wykorzystaniem biblioteki symptomów dla łożysk określonych producentów. Przykład wykorzystania biblioteki symptomów w otrzymanym widmie z łożyska przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. SPM HD – przebieg widma łożysk o wysokiej rozdzielczości

Największą zaletą metody jest fakt, że sygnał czasowy pochodzi z łożyska oczyszczonego z zakłóceń. Tak więc niezależnie czy jest on wykorzystywany do przeliczenia na wartości liczbowe, czy wyświetlany jest jego przebieg w czasie, czy widmo FFT, efekt oczyszczenia pozwala na ocenę rzeczywistej kondycji łożyska.

Metoda ta, jaka jedyna obecnie, wyświetla widmo drgań FFT już od 1 obrotu na minutę, a w przypadku synchronicznego pomiaru prędkości obrotowej jest odporna na niestabilność obrotów wału podczas pomiaru. Jest też metodą najczulszą, gdyż wykrywa uszkodzenia już po ich wystąpieniu, wielokrotnie wcześniej niż inne stosowane obecnie technologie. Dzięki temu możemy śledzić dynamikę rozwijania się tego uszkodzenia w całym zakresie, a nie tylko w ostatnim etapie tuż przed samą awarią. To podwyższa zdecydowanie efektywność działań służb UR korzystających z tej technologii wibrodiagnostycznej.

Jak kontrolować maszyny?

Oczywiście żadna z opisanych dotychczasowych technologii nie jest metodą idealną i nieomylną. Należy wspomnieć też o tym, że ich skuteczność wymaga posadowienia przetwornika na korpusie maszyny. Jeśli nie ma dostępu do maszyny podczas pracy, to dla maszyn krytycznych i odpowiedzialnych musi być przygotowywany punkt pomiarowy. Z reguły producenci starają się, aby ten sam zainstalowany na maszynie przetwornik mógł służyć zarówno do pomiarów sprzętem przenośnym (tzw. kontrola zdalna), jak i być elementem systemu kontroli ciągłej.

W takich sytuacjach dobrym uzupełnieniem pomiarów opisanych wcześniej są metody bezstykowe, np. ultradźwiękowe lub termograficzne. Szczególnie dobrze sprawdzają się do specyficznych zadań. Pomiary ultradźwiękowe są stosowane przede wszystkim do detekcji wycieków, inspekcji zaworów i urządzeń elektrycznych (badanie wyładowań elektrycznych).

W przypadku inspekcji maszyn są używane do wykrywania ogólnego zjawisk takich jak  monitoring poziomu zużycia i smarowania łożysk oraz badanie pomp pod kątem kawitacji. Oczywiście ze względu na samą ideę pomiaru, czyli wysoką częstotliwość, nie są one w stanie wykryć istotnych zjawisk dla eksploatacji maszyn, np. niewywagi. Metoda ta wymaga też dużego doświadczenia operatora i korzystania z trendów do oceny otrzymanych nagrań. W przypadku maszyn pomimo bezstykowości niezbędny jest jednak dostęp do mierzonych części i systemów podczas pracy.

Diagnostyka termowizyjna

Należy też wspomnieć o najlepszej obecnie metodzie bezstykowej, dającej najszerszy obraz stanu urządzeń przemysłowych, jaką jest termowizja. Nie jest to technologia drganiowa, polega na rejestracji i obrazowaniu promieniowania cieplnego emitowanego przez urządzenia przemysłowe. Wykrywane w tym obrazie anomalie termiczne o poziomie nieakceptowalnym sygnalizują potencjalne problemy i zagrożenia awarią. Jeśli jakiekolwiek uszkodzenie maszyny jest na poziomie generującym zauważalny wzrost temperatury, to kamery termowizyjne są tu idealnym rozwiązaniem.

Tak więc technologia termowizyjna stanowi bardzo dobre uzupełnienie posiadanego przez służby UR sprzętu wibrodiagnostycznego jako doskonały bezstykowy lokalizator potencjalnego źródła awarii. Należy jednak pamiętać, że wzrost temperatury pojawia się dopiero przy bardzo zaawansowanym poziomie uszkodzenia. Często jest wtedy już za późno na reakcję i zapobiegnięcie awarii.

Przyszłość w predykcyjnym UR?

Według najnowszych trendów poziom predykcyjnego utrzymania ruchu ma w ciągu najbliższych lat osiągnąć wartość 35% w TPM. Jest oczywiste, że bez odpowiednich narzędzi nie będzie to możliwe.

Tak więc dobór odpowiednich technologii do monitorowania stanu maszyn jest podstawowym warunkiem do spełnienia tych prognoz. Przy inwestycji w sprzęt pomiarowy nie można kierować się wyłącznie ceną zakupu, ale przede wszystkim dopasowaniem technologii pomiarowej do zadań.

Inwestycja musi się zwrócić, zatem zakupione technologie powinny zapewnić bezawaryjność diagnozowanych maszyn. Ponieważ żadna z opisanych technologii nie jest wystarczająca w 100% przypadków, dotychczasowe doświadczenia mówią, że najlepiej wymagania spełnia system wielofunkcyjny.

Optymalny system powinien mieć w swojej konfiguracji funkcje do kontroli ogólnego stanu maszyn oraz do szczegółowej oceny newralgicznych części maszyn z silnym ukierunkowaniem na stan łożysk. Oprócz wibrodiagnostyki można korzystać także z innych rozwiązań, np. termowizji, jeśli przy konkretnych awariach zaobserwowano gwałtowny przyrost temperatury. Zastosowanie tylko jednej technologii jest z góry skazane na porażkę.

 

Autor:

Andrzej Skrzypkowski

Właściciel firmy AS Instrument Polska od września 2002 r.

Absolwent Politechniki Warszawskiej, wydział Mechaniczny Technologiczny (aktualnie Inżynierii Produkcji) – dyplom magistra w 1991 roku, specjalizacja: spawalnictwo.

W latach 1998-2002 inżynier sprzedaży w firmie SPM Instrument Sp. z o.o., polskim oddziale SPM Instrument AB.

W roku 2000 wprowadził na polski rynek systemy laserowe Easy-Laser do osiowania i określania geometrii maszyn, Damalini AB - aktualnie Easy-Laser AB.

Obecnie wyłączny przedstawiciel w Polsce firmy szwedzkiej SPM Instrument AB (przyrządy i systemy do diagnostyki maszyn) oraz ponadto autoryzowany  Easy-Laser AB (systemy laserowe) Rayhome Ltd. Wlk. Brytania (laserowo cięte podkładki ustawcze), Hilger u. Kern GmbH Niemcy (ultradźwiękowe detektory przecieków i mierniki naciągu pasa),  Schaller GmbH Humimeter Austria (przyrządy i systemy do pomiaru wilgotności powietrza i materiałów sypkich oraz do papieru i kartonu).

Kategorie: Diagnostyka i media

pozostałe artykuły
najpopularniejsze
Redakcja:
Aby uzyskać pełny dostęp do wszystkich
treści w serwisie zaloguj się bądź zarejestruj
Forum Media Polska
FORUM MEDIA POLSKA Sp. z o.o.
ul. Polska 13, 60-595 Poznań
Tel. 061 66 83 116