O krytyczności awarii maszyn i urządzeń

Awarie dotyczą wszystkich maszyn i urządzeń, lecz elementami lub miejscami szczególnie narażonymi na nie są części ruchome i/lub podlegające dużym naprężeniom, które mogą wynikać z różnych przyczyn, np. naprężeń termicznych, mechanicznych lub spowodowanych czynnikami chemicznymi. Główne przyczyny pojawiania się naprężeń można podzielić na sześć grup – jak w tabeli 1.

Tab. 1. Źródła naprężeń eksploatacyjnych w maszynach i urządzeniach

Najpowszechniej występujące na świecie maszyny, które są przedmiotem badań pod kątem ich awaryjności, są silniki elektryczne. Autorzy opisujący awarie i sposoby zapobiegania im nie są co prawda zgodni co do głównych typów uszkodzeń tych silników, ale mimo to można wyznaczyć pewną zależność. Według opracowań [1, 2] najczęstszymi miejscami, w których zdarzają się awarie silników elektrycznych, są łożyska. Następnie w kolejności awariom ulega stojan, na czwartym miejscu są awarie wirnika, a na pozycji trzeciej znajdują się inne miejsca i przyczyny. Na to samo główne miejsce awarii wskazuje producent silników – firma Toshiba [3], stawiając jednocześnie na drugim miejscu stojan z już czterokrotnie mniejszą liczbą zdarzeń. Jednak inne źródła [4] łożyska wymieniały dopiero jako czwartą z kolei przyczynę awarii silników, a jako trzy pierwsze wymieniono po kolei: przeciążenie układów zabezpieczeń elektrycznych, zabrudzenia i błędy po stronie zasilania. Widać jednak – i to niezależnie od źródła – że jednym z głównych powodów awarii są łożyska. 
Awarie łożysk mogą być wykrywane zarówno podczas przestoju, jak i w trakcie ruchu maszyn z wykorzystaniem kilku technik pomiarowych. Jednakże w praktyce przemysłowej najczęściej pomiary wibroakustyczne drgań ograniczają się do pomiarów gwarancyjnych po remontach generalnych lub okresowych. Następnie – po pomyślnym przejściu takich badań – silnik pracuje nadal. Jeśli jednak będzie pracował bez bieżącego monitoringu stanu łożysk, to praca taka trwać będzie do następnego odstawienia w celu remontu [5].
Jeżeli jednak nie jest możliwy bieżący pomiar drgań, to aby uniknąć niespodziewanych przestojów awaryjnych, należy móc choćby przewidywać zgrubnie czas do najbliższej awarii. W tym celu stosuje się zarządzanie utrzymaniem ruchu. Może być ono realizowane według różnych sposobów i strategii, których rozwój można obserwować od początków XX wieku. Najprostszym rozwiązaniem jest praca bez remontów aż do następnej awarii, która wyewoluowała w ideę zapobiegania awariom wg zasad PM (ang. Preventive Maintenance), jednak na taki sposób zarządzania ruchem można sobie obecnie pozwolić (jeżeli już) dla maszyn o mało odpowiedzialnej roli. PM to technika wykorzystująca monitorowanie stanu technicznego maszyny podczas jej eksploatacji. Opiera się na reagowaniu dopiero po wystąpieniu awarii lub na działaniach według sztywnych harmonogramów przeglądów i napraw. Może generować zwiększone wydatki z tytułu konieczności usuwania poważnych awarii i ponoszenia kosztów przestojów.

Strategie 

Bardziej zaawansowanymi narzędziami z obszaru zarządzania utrzymaniem ruchu są inne strategie, których wybór może wcale nie być oczywisty, gdyż za każdym razem zależy on od bilansu pomiędzy uzyskanym dzięki nim ograniczeniem kosztów eksploatacyjnych a kosztami jego wdrożenia. Poniżej przedstawiono główne strategie (idee) według kolejności ich rozwoju.

Strategia TPM (ang. Total Productive Maintenance) wyewoluowała z techniki PM i stosuje podejście prewencyjne. Zakłada prowadzenie systematycznych przeglądów zgodnych z dokumentacją DTR nie tylko umożliwiających przewidywanie awarii, ale poprzez wdrażanie procesów poprawy wg idei nieskończonego koła Deminga (Oszacuj, Zaplanuj, Wykonaj, Zmierz, Sprawdź) oraz idei ciągłego doskonalenia Kaizen umożliwia odpowiedź na pytanie o przyczyny awarii i ich eliminację w kolejnych okresach. Można wtedy takie podejście zaliczyć do podejścia proaktywnego, które jest uzupełnieniem podejścia predykcyjnego. 

PdM (ang. Predictive Maintenance) – czyli szereg działań mających na celu ocenę stanu technicznego na podstawie analiz prowadzonych w sposób systematyczny. Zawiera ona w sobie elementy podejście TPM, jednak rozszerza strategię o możliwości przewidywania awarii dzięki śledzeniu danych ekploatacyjnych i możliwość określenia, kiedy dana część wymagać będzie remontu lub konserwacji. Stworzona historia eksploatacji umożliwia takie zaplanowanie remontów, aby wypadły w okresie optymalnym.

Strategia CBM (ang. Condition-Based Maintenance) zakłada podejmowanie decyzji o remontach na podstawie aktualnego stanu technicznego i poprzez zmniejszenie liczby lub wyeliminowanie niepotrzebnych remontów prewencyjnych umożliwia ograniczenie działań reaktywnych. Zakłada systematyczną ocenę stanu technicznego, a dzięki temu daje możliwość planowania remontów i przeglądów dynamicznie i na bieżąco. To podstawa dla procesów predykcyjnych, czyli przewidujących (np. dzięki IIoT) i strategii preskryptywnej.

IIoT (ang. Industrial Internet of Thing) – idea przemysłowego internetu rzeczy, w której ramach czujniki wszystkich maszyn i urządzeń są ze sobą połączone, a ich stan jest diagnozowany na bieżąco przez analizy komputerowe. Zawiera w sobie nie tylko monitorowanie stanu maszyn, ale także zarządzanie energią. 

RxM (ang. Prescriptive Maintenance) – strategia preskryptywna. Silnie powiązana z IIoT, może wykorzystywać też elementy sztucznej inteligencji. Umożliwia prognozowanie wystąpienia awarii i składa się z systemów informatycznych zbierających informacje od maszyn, które z kolei mają za zadanie dostarczać dane na temat stanu tych maszyn i urządzeń oraz np. sugerować wyłączenia remontowe. Podstawa do rozwoju przedsiębiorstwa na poziomie idei Przemysłu 4.0.

Dodatkowo do zaawansowanych software'owych technik predykcyjnych (lub ewentualnie zamiast nich), w celu zapobieżenia katastrofalnym awariom maszyn, stosuje się metody inne, bazujące na kilkudziesięcioletnich doświadczeniach z eksploatacji. 
W przypadku pomp wirowych jednym z głównych przykładów może być tzw. krzywa niezawodności Barringera. Krzywa ta jest szeroko cytowana w kontekście awaryjności pomp wirowych i pokazuje wpływ różnych czynników na skrócenie czasu ich bezawaryjnej pracy wraz z jego oszacowaniem. Pokazano ją na rysunku 1. Pompa (lub turbina wodna – bo i do nich może się odnosić ta metodologia), pracując w punkcie optymalnym (BEP – ang. Best Efficiency Point), charakteryzuje się pewnym czasem awarii MTTF (ang. Mean Time To Failure), wynikającym głównie ze zużycia łożysk lub uszczelnień, ale także niekiedy naprężeń występujących w konstrukcji. Jednakże pompa może pracować także w obszarze poza BEP. W pompie pracującej w tych warunkach narastają różne niekorzystne zjawiska, jak np. wzrost sił promieniowych i osiowych, więc i nacisku na łożyska, intensyfikują się wiry i przepływy powrotne mogące powodować lokalną kawitację, rośnie temperatura, a zatem trudniejsze warunki pracy, czego rezultatem jest skrócenie czasu do najbliższej awarii, a wraz z nim maleje stosunek bieżącego MTTF/MTTFOPT. Dodatkowo w przypadku pomp i innych maszyn wirnikowych może mieć istotne znaczenie praca ze zmienną lub inną niż ta, na którą była projektowana prędkością obrotową, kiedy na skutek pokrycia się aktualnej prędkości z prędkością rezonansową, jej całkowitym podzielnikiem lub jej krotnością, wystąpi rezonans mechaniczny w konstrukcji. 

Jeśli taki stan pojawiać się będzie często, to skutkować on będzie także przyspieszoną degradacją łożysk. Dodatkowo także praca z niską prędkością obrotową pompy może spowodować obniżenie nośności łożysk ślizgowych, jeśli takie łożyska zastosowano.

Krzywa P-F

Jednym z podstawowych celów predykcyjnych metod wykorzystywanych przez służby utrzymania ruchu jest unikanie awarii maszyn. Wspomnieć tutaj jednak należy, że awaria nie jest – w pewnym sensie – pojedynczym zdarzeniem, lecz całym procesem, do którego ścieżkę można śledzić i która, aby zaistniała, wymaga czasu. Dzięki np. technikom predykcyjnym awarii tych można uniknąć, jednak samych uszkodzeń, rozumianych jako zużycie materiału, już nie, ponieważ jest to normalna techniczna cecha eksploatacyjna. Wykorzystując wiedzę na temat prędkości postępowania awarii i jej następstw, można oszacować moment, w którym należy wykonać remont maszyny lub urządzenia, aby nie doszło do awarii.
Na rysunku 2. przedstawiono tzw. krzywą P-F (ang. Potential Failure to Functional Faillure) o charakterze wykładniczym [6], na której pokazano momenty pojawienia się istotnych zdarzeń, patrząc pod kątem awaryjności maszyny oraz tempo postępowania awarii. Punkt S oznacza pojawienie się pierwszego uszkodzenia. Dalej idąc po osi czasu, pojawia się punkt P oznaczający pierwsze symptomy potencjalnego uszkodzenia. Następnie po okresie P-F, w wyniku narastających niekorzystnych zjawisk w maszynie lub urządzeniu dochodzi się do stanu oznaczonego literą F oznaczającego funkcjonalną awarię, po której eksploatacja już nie jest możliwa. Z wykresu tego wynika wprost, że aby uniknąć awarii i wyłączenia urządzenia niekiedy nawet na długi czas, i aby uniknąć nieraz wysokich kosztów tych przestojów, to okresy przeglądów, jakie dokonuje się na urządzeniu, muszą być nie dłuższe niż okres P-F (a zwykle są) – powinny być one równe mniej więcej połowie tego okresu.

Przykład diagnostyki

Niech przykładem diagnostyki maszyn w warunkach przemysłowych będzie sprężarka śrubowa. Głównym elementem takiej sprężarki jest blok śrubowy, składający się dwóch przeciwsobnych śrub, „męskiej” i „żeńskiej”, ściśle się zazębiających i obracających się w przeciwnych kierunkach, z których każda zamocowana jest na swoich własnych łożyskach. Łożyska w sprężarkach małej mocy są najczęściej typu kulkowego, natomiast w przypadku większych jednostek stosuje się łożyska wałeczkowe ze względu na większe możliwości przenoszenia obciążeń, wynikające z budowy łożyska. 
Z wieloletnich doświadczeń diagnostycznych wynika, że najbardziej przydatną metodą przy badaniach łożysk jest częstotliwościowa analiza sygnału (FFT – ang. Fast Fourier Transform). Dostarcza ona danych jednocześnie na temat wielkości drgań i ich częstotliwości. Jednakże w części przypadków do analizy wstępnej przydatne mogą być inne metody, np.: obserwacja wzrokowa, metoda temperaturowa, pomiar współczynnika szczytu, metoda akustyczna, metoda analizy obwiedni, metoda impulsów uderzeniowych. Niech przykładem diagnostyki stanu maszyn za pomocą tej ostatniej metody będzie badanie stanu łożysk w bloku śrubowym sprężarki śrubowej. Pomiaru tego dokonano za pomocą Testera Impulsów Uderzeniowych T2001 firmy SPM INSTRUMENT. Badanie polega na pomiarze czujnikiem drgań na bloku śrubowym sprężarki w dwóch miejscach. Aby zminimalizować błąd spowodowany niedoskonałością metody oraz drganiami tła – wykonano kilka serii pomiarów. Analizom poddano cztery sprężarki. Bezwzględny poziom impulsów uderzeniowych łożyska mierzony jest w decybelach dBsv. Podczas pomiaru urządzenie zlicza wartości impulsów uderzeniowych i jako wyniki wyświetla dwie wartości: wartość maksymalną dBm oznaczającą silne impulsy uderzeniowe o małej częstotliwości występowania oraz wartość dBc oznaczającą słabe impulsy uderzeniowe o dużej częstotliwości występowania. Norma ISO 2372 stwierdza, że ostrość drgań jest dobrą miarą dla ogólnego oszacowania stanu maszyny. Urządzenie pomiarowe ma zaprogramowane graniczne wartości określające stan maszyny: dobry – niewymagający żadnej interwencji, akceptowalny (ostrzegawczy) – wymagający w krótkim czasie remontu oraz zły – wymagający remontu niezwłocznie.
Wyniki pomiarów przedstawiały się następująco (gdzie V [mm/s], H [mm], A [mm/s2]) (Tab. 2–5).

Tab. 2. Wyniki pomiarów drgań na sprężarce nr 1

Tab. 3. Wyniki pomiarów drgań na sprężarce nr 2

Tab. 4. Wyniki pomiarów drgań na sprężarce nr 3

Tab. 5. Wyniki pomiarów drgań na sprężarce nr 4

Z zaprezentowanych wyników pomiarów wynika, że w przypadku jednej sprężarki (sprężarka 1) nie jest wymagana aktualnie żadna interwencja i może być eksploatowana bez przeszkód, w przypadku kolejnej (sprężarka 3) remont łożysk należy wykonać w krótkim okresie, gdyż wartości uzyskane z pomiarów plasują ją w obszarze ostrzegawczym i usterki będą się niewątpliwie nawarstwiać i pogłębiać w miarę szybkim tempie, natomiast w przypadku dwóch ostatnich (sprężarki 2 i 4) należy wykonać remont możliwie jak najszybciej, gdyż sprężarka jest już niebezpiecznie blisko awarii i awaryjnego jej wyłączenia z eksploatacji.
Artykuł miał za zadanie nakreślić możliwości, jakie służbom utrzymania ruchu daje doświadczenie i współczesna nauka. Jednak o bezawaryjnej pracy i minimalizowaniu całkowitych kosztów eksploatacji można mówić bez końca, gdyż strategii zarządzania awaryjnością maszyn jest kilka, a obszar predykcji uszkodzeń i awaryjności oraz informatyki i sztucznej inteligencji rozwija się bardzo dynamicznie.

LITERATURA

1. Report I.C.: Report of large motor reliability survey of industrial and commercial installations. Part I and Part II, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 21, pp. 853–872, 1985.
2. Albrecht P.F., Appiarius J.C., Sharma D.K.: Assessment of the reliability of motors in utility applications – Updated, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 1, pp. 29–46, 1986.
3. Fink R.: AWWA Motor Fundamentals Class 2012. Prezentacja Toshiba International Corporation.
4. Development in Motor Protection – White Paper, Bulletin No. 9065PD9501, JAN 1996, SQUARE D, Raleigh, NC USA.
5. Kokociński J.: Wibroakustyczna diagnostyka maszyn, Energetyka Cieplna i Zawodowa, 11/2009.
6. Blann D.: Maximizing the P-F Interval Through Condition-Based Maintenance, Maint World Maintenance & Asset Management, https://www.maintworld.com/Applications/Maximizing-the-P-F-Interval-Through-Condition-Based-Maintenance, (dostęp: 5.10.2023).