Diagnostika strojů:
Snadno a rychle pomocí FFT analýzy
Téma Strana
1. Úvod ... 2
2. Spektrum vibrací odvětrávacího ventilátoru ... 4
3. Sledování stavu strojů ... 6
4. Úroveň 1 / 2 - strategie monitorování stavu ... 8
5. Klasifikace mohutnosti vibrací podle ISO norem ... 10
6. Možné poruchy elektromotoru ... 12
7. Nevyváženost / nesouosost ... 14
8. Asymetrie pole statoru ... 16
9. Asymetrie pole rotoru ... 18
10. Vibrační diagnostika: nevyváženost rotující části ... 20
11. Vibrační diagnostika: nesouosost hřídelů ... 22
12. Vibrační diagnostika: asymetrie pole ... 24
13. Vibrační diagnostika: uvolněné části ... 26
14. Parametry pro posuzování valivých ložisek ... 28
15. Normalizované měření rázových pulzů ... 30
16. Diagnostika valivých ložisek: obálková analýza ... 32
17. Diagnostika valivých ložisek: poškození vnitřního kroužku ... 34 Obsah
1. Úvod
Obsah této brožury vychází z přednáškových skript M. Luft, PRÜFTECHNIK AG. © Copyright 1998 PRÜFTECHNIK AG.
Všechna práva vyhrazena.
A samozřejmě, samotná vibrační diagnostika je fantastický prostředek pro lokalizaci poruch a zjištění jejich příčin a současně také prostředek proti neoprávněnému uplatňování záruky.
Vydání srpen 2010 Objednací číslo VIB 9.619CZ Monitorování vibrací a vibrační diagnostika
strojů a zařízení získaly v posledních letech mimořádný význam. Protože jsou cenově do- stupné přístroje na měření vibrací, monitorují se také střední i malé stroje. Tím se vytvořily podmínky pro jejich hospodárné využití.
V posledních letech stoupá zájem o úspěšné nasazení vibrační diagnostiky také v oblasti elektrických strojů a ručního nářadí. Na jedné straně požaduje provozovatel při instalaci nového nebo opraveného zařízení protokoly o vibracích. Na druhé straně se nabízí monitorování vibrací a vibrační diagnostika jako doplňková servisní služba, kdy především malý provozovatel si nemůže nebo nechce opatřit vlastní měřící techniku.
2. Spektrum vibrací odvětrávacího ventilátoru
Jednoduchý příklad ukazuje možnosti, které nabízí a umožňuje analýza vibrací:
Pohon ventilátoru byl kvůli velikým vibracím odstaven. Protože na elektromotoru byla naměřena vysoká úroveň vibrací, hledaly se příčiny u elektromotoru. Analýzou vibrací se zjistilo, že vysoká úroveň vibrací (15,2 mm/s) na elektromotoru je způsobena přenosem vibrací (s frekvencí 13,67 Hz) od nevyvážené řemenice instalované na hřídeli ventilátoru.
Tyto vibrace se přenáší přes řemenový převod a ocelovou konstrukci. Po vyvážení řemenice se úroveň vibrací na elektromotoru snížila na přijatelnou hodnotu 3,2 mm/s a na ložisku ventilátoru na 2,3 mm/s.
Toto je typický příklad využívání poznatků z měření a analýzy vibrací. Měření úrovně vibrací umožňuje hodnotit stav stroje na “Dobrý”,
“Přijatelný”, “Nepřijatelný” a “Nepřípustný”.
V případě zvýšení úrovně vibrací je nutné pomocí FFT analýzy lokalizovat poškození a určit jeho příčinu.
5 Odvětrávací ventilátor (P = 37 kW)
Motor: 1475 /min. = 24.58 Hz
Ventilátor:
820 /min. = 13.67 Hz 15.2 mm/s
11.3 mm/s
Ložisko ventilátoru, měřeno v radiálním směru ve vertikální rovině
fvert = 13.67 Hz fvert = 13.67 Hz
Ložisko elektromotoru, měřeno v radiálním směru ve vertikální rovině
2. analýza signálu
FFT - spektrum vibrací
Spektrum vibrací odvětrávacího ventilátoru
1. měření úrovně vibrací
Mohutnost vibrací, měřeno na ložisku ve vertikální rovině
3. Sledování stavu strojů
Základem pro efektivní a úspěšné sledování stavu strojů je měření vhodných veličin a parametrů souvisejících se stavem stroje. Tato měření je nutné provádět v delším časovém úseku a zaznamenávat naměřené hodnoty do grafu - trendu. Z tohoto grafu je jednoduché poznat, zda nedošlo k překročení hranice pásma “Upozornění” nebo “Alarmu”. Při překročení této hranice, detailní vibrační diagnostika zjistí příčiny zvýšení vibrací a pak mohou být vhodně uplatněna opatření údržby.
Následně budou uvedeny příklady monitorování a analýzy vibrací elektromotorů.
7 Události - postup
- Trend parametrů
- Poplach při překročení hranice pásma - Referenční spektrum (dobrý stav) - Po překročení upozornění nebo alarmu:
podrobná diagnostika/analýza na místě
Sledování stavu strojů
Offline spektrum Dobrý stav
Spektrum Upozornění
Offline analýza signálu podrobná diagnostika/analýza na místě Alarm
Upozornění Parametr
vibrací
Čas
Spektrum Alarm
Monitorování stavu strojů lze provádět zaznamenáváním vhodných parametrů, které popisují celkový stav stroje. Trend těchto parametrů ukazuje na zhoršování stavu stroje, tzn. začínající poškození.
Takový druh měření celkových vibrací je nazýván jako „Úroveň 1" a je zobrazen na obrázku vpravo. Takto lze monitorovat velké množství strojů při relativně nízkých nákladech na měřící techniku a nárocích na personál.
Pro přesnou lokalizaci poruch ovšem měření
“Úrovně 1” nestačí. K tomu je nutné blíže analyzovat obraz vibrací stroje. Většina druhů poškození vystupuje ve spektru jako poruchové frekvence, popřípadě s typickou strukturou frekvencí.
4. Úroveň 1 / 2 - strategie monitorování stavu
Vibrační diagnostika - „Úroveň 2" - vyžaduje analýzu signálu vibrací pomocí FFT analyzátoru a především školený personál se zkušenostmi s interpretací spekter vibrací.
9
10 8 6 4 2
0
0 500 1000 1500
a mm/s2 veff
mm/s
èas 10
8 6 4 2 0
f (Hz)
Úroveň 1 / 2 - strategie monitorování stavu
Úroveň 1: Monitorování parametrů - trend - celkový stav
- delší časový úsek - zaškolený personál
Úroveň 2: Vibrační diagnostika po překročení hranic pásem
- konkrétní případ
- jedinné měření v určitém čase - pouze odborníci
Monitorování stroje zatížení vibracemi stav valivých ložisek Parametry
mohutnost vibrací (popř. výchylka, zrychlení…) rázové pulzy k posouzení stavu valivých ložisek teplota
RPM - počet otáček za minutu kavitace
Lokalizace závad pomocí spektra
Nevyvážený rotor, nesouosost, poškození ozubení, turbulence, vadné magnet. pole, diagnostika ložisek, atd.
Analýza signálu amplitudové spektrum spektrum obálky časový signál
řádová analýza/Bodeův diagram cepstrum
5. Klasifikace mohutnosti vibrací podle ISO norem
Norma ČSN ISO 10816-3 je velmi důležitá pro provozní techniky pro účely vyhodno- cování vibrací strojního zařízení.
Část 3 této normy, která je relevantní pro monitorování stavu strojů, byla přepracová- na. Skupiny 3 a 4 části 3, které se týkaly čerpadel, byly vypuštěny. Místo toho byla norma rozšířena o část 7 – jmenovitě ČSN ISO 10816-7.
Tato nová část pojednává vý- hradně o vibracích odstředi- vých čerpadel.
Nová ČSN ISO 10816-7 je účinná od srpna 2009.
11 Klasifikace mohutnosti vibrací podle ISO norem
6. Možné poruchy elektromotoru
Obrázek vpravo dává přehled možných poruch u elektromotoru. Tyto poruchy se dají zjistit ze spekter vibrací, protože každá porucha má své místo ve spektru a její závažnost je dána velikostí příslušné složky vibrací odpovídající poruchové frekvenci.
Pro některé poruchy existují typická spektra vibrací, která jsou popsána v následujících kapitolách.
13
Poškození ložisek
Poškození rotoru Poškození statoru
Poškození spojky
Možné poruchy motoru
7. Nevyváženost / nesouosost
Pod pojmem nevyváženost se rozumí výstředné rozložení hmoty rotoru vzhledem k ose rotace.
Nevyváženost je stav, při kterém se dynamické síly nebo pohyby vzniklé v rotoru přenášejí na ložiska rotoru a působí jako setrvačné síly. Ve spektru se objeví vibrační složka s frekvencí odpovídající otáčkám rotoru. Velikost vibrační složky odpovídá velikosti nevyváženosti. Stav elektromotoru se může z důvodu nevyváženosti podstatně zhoršit. Vyvážení demontovaného rotoru motoru na vyvažovačce nebo provozní vyvážení představuje korekci rozložení hmoty rotoru s cílem zabezpečit, aby zbytkový nevývažek nebo vibrace v ložiskách se pohybovaly v přípustných mezích. Odkaz na přípustné zbytkové nevývažky tuhých rotorů obsahuje norma3.
U pohonů se spojkou způsobuje zvýšení úrovně vibrací také nesouosost hřídelů. Tato závada se projeví ve spektru vibrační složkou o
Převažuje-li radiální přesazení, potom tato složka je nejvýraznější při měření ve směru kolmém k ose hřídele. Převažuje-li naproti tomu axiální přesazení (úhlové vybočení), pak se ukazuje závada především ve spektru z axiálního směru měření. K odstranění nesouososti hřídelů doporučují výrobci elektrických strojů a zařízení používat moderní laserové systémy jako např. OPTALING® PLUS.
Doporučení pro tolerance ustavení jsou m.j. v návodech k obsluze těchto systémů4.
3 ISO 3945
Mechanical vibration of large rotating machines with speed range from 10 to 200 rev/s; Measurement and evaluation of vibration severity in situ, 12/1985
4 OPTALIGN® PLUS
15 Nevyváženost
Amplituda fn příliš velká
Otáčková frekvence fn = otáčky (n)/60 Norma pro hodnocení: ISO 2372, ISO/DIS 10816-3
Nesouosost
Dvojnásobek otáčkové frekvence 2fn Radiálně: radiální přesazení Axiálně: axiální přesazení(vybočení)
f (Hz)
fn 2fn
mm/s
f (Hz) mm/s
fn
Nevyváženost / nesouosost
8. Asymetrické pole statoru
Asymetrie pole u elektromotorů může být způsobena závadou na statoru nebo rotoru (kotvě). Nejčastější závady jsou:
• zkrat svazku statorových plechů po styku s rotorem
• excentrická poloha rotoru (kotvy)
• nesymetrické vinutí
• nesymetrické napětí v síti
Při poruchách pole statoru se nachází ve spektru vibrací zvýšená úroveň dvojnásobku frekvence sítě bez postranních pásem.
17
2fSí•
Je patrný dvojnásobek frekvence sítě 2fSíť Frekvence sítě fSíť = 50 Hz
Výjimka: motory napájené stejnosměrným proudem
Žádná postranní pásma kolem 2fSíť
2-pólové stroje
Dvojnásobek otáčkové frekvence leží těsně pod 2fSíť
99.0 101.0
f (Hz) fn
mm/s
f (Hz) 2fn 2fSí•
mm/s Příčiny:
- spečení železa / zkrat svazku plechů statoru - excentrická poloha kotvy
- nesymetrické napětí v síti - nesymetrické vinutí
Asymetrie pole statoru
9. Asymetrie pole rotoru
Asymetrie rotoru bývá způsobena:
• poškozením rotorových tyčí (lom, trhlina, uvolněné tyče)
• zkratovanými prstenci (lom, trhlina)
• zkratem rotorových plechů z důvodu pokroucení
• zkratem kotvy rotoru (např. přetížením za vysokých otáček)
Tyto závady jsou zjistitelné ve spektru vibrací jako:
• frekvence tyčí s postranními pásmy
• frekvence sítě s postranními pásmy frekvence skluzu
Odstranění je možné pouze výměnou kompletního rotoru.
19
Frekvence tyčí ftyč s postranními pásmy s odstupem 2fSíť Frekvence tyčí ftyč = fn x ntyč
fn: otáčková frekvence ntyč: počet tyčí v rotoru Frekvence sítě: fSíť = 50 Hz
Přiblížení na 2fSíť : Jsou zřetelná postranní pásma s osdtupem fskluz
Frekvence skluzu fskluz = 2fSíť/p - fn p: Počet pólů statoru
99.0 2fn 2fSí• 101.0 f (Hz)
(100 Hz) mm/s
ftyè f (Hz) fn 2fSí•
mm/s
Příčiny - lom tyče - trhlina v tyči - uvolněná tyč
Asymetrie pole rotoru
10. Vibrační diagnostika: nevyváženost rotující části
Ve spektru vibrací se ukáže typický projev nevyváženosti - složka vibrací při otáčkové frekvenci.
Podle hodnot mohutnosti kmitání - změřených na elektromotoru a převodovce v různých měřicích bodech - se pozná, že zdroj buzení vibrací leží v blízkosti spojky. Provozní vyvážení brzdového kotouče v jedné rovině snížilo mohutnost vibrací na elektromotoru na 3,5 mm/s a na převodovce na 3,1 mm/s.
21 Převodovka pásového dopravníku
P = 600 kW
n = 996 ot/min (fn = 16.6 Hz)
Mohutnost vibrací Motor Převodovka
A, RH v mm/s 3.1 -
A, RV 7.8 9.2
A, AX 5.3 6.2
B, RH 4.4 -
B, RV 6.8 -
Nález: Nevyvážený brzdový kotouč
Převodovka, ložisko u spojky, vertikální rovina Převodovka, ložisko u spojky, axiální rovina Převodovka
Brzda Motor
fn = 16.6 Hz (nevyváženost)
fn = 16.6 Hz (nevyváženost)
Vibrační diagnostika: nevyváženost rotující části
11. Vibrační diagnostika: nesouosost hřídelů
Je-li ve frekvenčním spektru vibrací zřetelná složka s dvojnásobnou otáčkovou frekvencí, jedná se o nesouosé ustavení hřídelů. Po odstranění této závady (nesouososti) zmizí složka vibrací (špička) s dvojnásobnou otáčkovou frekvencí. Ve spektru zůstává složka odpovídající nevyváženosti, která se odstraní provozním vyvážením jak je vysvětleno v předchozí kapitole.
23 Generátor vodní turbíny
P = 55 kW
n = 1000 ot/min (fn = 16.67 Hz)
Mohutnost vibrací Generátor Převodovka Lož. u spojky, RH 9.5 1.5 mm/s
Lož. u spojky, RV 4.1 -
Lož. u spojky, AX 4.4 -
Přesazení ve vertikální rovině před po ustavení Axiál (na 170 mm) 0.42 mm - 0.02 mm
Radiál 0.44 mm 0.05 mm
Nález: Nesouosost hřídelů
Generátor, ložisko u spojky, před ustavením Po ustavení
fGen
2fGen. Ţ nesouosost
fGen.
2fGen. = dobrá souosost Převodovka Generátor
Vibrační diagnostika: nesouosost hřídelů
12. Vibrační diagnostika: asymetrie pole
Motor byl odstaven z důvodu zvýšené mohutnosti vibrací, která přetrvávala i po demontáži spojky. Neobvykle velká špička na dvojnásobku frekvence sítě dávala tušit poškození statoru. Nález ukázal spečení železa na svazku plechů statoru, tedy místo zkratu statorových plechů. Motor musel být vyměněn.
25 Motor ventilátoru v ocelárně
P = 250 kW
n = 2999 ot/min (fn = 50 Hz) Mohutnost vibrací
Lož. u spojky, RH 4.8 mm/s Nález: Spečení plechů statoru
Motor, ložisko u spojky, měřeno ve směru radiálním v horizontální rovině
Přiblížení, žádná postranní pásma na 100 Hz
2fNetz
Asymetrie pole
2fNetz
Asymetrie pole
Motor Ventilátor
Vibrační diagnostika: asymetrie pole
13. Vibrační diagnostika: uvolněné části
Elektromotor u pohonu lisu byl z důvodu zvýšené mohutnosti vibrací a neobvyklého hluku odstaven. Hluk se den ode dne výrazně zvětšoval. Ve spektru vibrací se objevila neobvyklá skutečnost. Složka vibrací s otáčkovou frekvencí není hnedle vidět, zato zcela zřetelné jsou složky odpovídající násobkům otáčkové frekvence. Tyto příznaky zůstaly nezměněny, i když byl odstraněn hnací řemen. Zdrojem vibrací byla uvolněná řemenice na hřídeli elektromotoru. Problém se vyřešil přesoustružením hřídele a vypouzdřením řemenice.
27 Motor ventilátoru v ocelárně
P = 200 kW
Motor: 1486 ot/min = 24.77 Hz Mohutnost vibrací
Motor, lož. u spojky 6.9 mm/s Motor, lož. od spojky 7.1 mm/s Nález: Volná řemenice na hřídeli
elektromotoru
Motor, lož. u spojky, před opravou Po opravě
fMotor = 24.77 Hz
Setrvačník
Řemenový pohon
fMotor = 24.77 Hz
Vibrační diagnostika: uvolněné části
14. Parametry pro posuzování valivých ložisek Platí pravidlo, že úroveň opotřebení ložiska nelze zjistit ze zvýšení vibrací o nízkých frekvencích, dokud není stupeň opotřebení dostatečně vysoký. Důvod je v tom, že když valivý element ložiska přechází přes poškozenou část, vznikne rázový pulz, který lze detekovat pouze v rozsahu vysokých frekvencí.
To je důvod, proč byly pro monitorování valivých ložisek vyvinuty speciální charakteristické hodnoty. Dosud neexistuje žádná mezinárodně platná norma a proto se používají různé metody k hodnocení stavu valivých ložisek. Popíšeme si nejznámější používané parametry.
Před 25 lety se začala v Německu používat metoda rázových pulzů. Je to snadno použitelná a spolehlivá metoda, která na rozdíl od ostatních používá dva parametry. Jeden z nich je “maximální hodnota” dBm která indikuje míru rázů a je vhodná pro zjištění počátečního poškození ložiska. Druhá je tzv.
“kobercová hodnota” dBc, která představuje základní hladinu šumu ložiska a zvyšuje se především při problémech s mazáním ložiska, s jeho opotřebením, nedostatečnou vůlí nebo při nesprávné instalaci ložiska.
Jednou z typických vlastností všech charakteristických parametrů je jejich závislost na veličinách jako jsou např. velikost ložiska a jeho otáčky, tlumení signálu, zatížení ložiska a jeho mazání. Tím pádem je prakticky vždy nutné mít k dispozici srovnávací měření na dobrém ložisku anebo provést normalizované měření vzhledem k vhodnému vzoru.
29 Rázové pulsy
K(t) metoda
Spike Energie
BCU hodnota
Curtosis faktor
GSE faktor
SEE faktor
Crest faktor
Spolehlivé vyhodnocení stavu valivého ložiska vyžaduje (bez ohledu na použitý parametr):
Počáteční hodnoty? Tolerance?
?
Míru nárůstu v čase?
?
Parametry pro posuzování valivých ložisek
15. Normalizované měření rázových pulzů
Na obrázku je znázorněn postup, který při normalizovaném měření používají přístroje firmy PRÜFTECHNIK, aby se vyrovnal vliv rozdílů v otáčkách a velikosti ložisek.Počáteční hodnota a tím i normalizovaná počáteční hodnota dBia se určí pomocí srovnávacího měření na dobrém ložisku. Tím se získá srovnávací hladina pro měření maximální hodnoty rázových pulzů dBm a kobercové hodnoty dBc. Tento postup umožňuje měření různých ložisek s různými provozními otáčkami a naměřené výsledky mezi sebou porovnat.
Není nutné pro každý měřicí bod provést individuální nastavení.
31 Normalizované měření rázových pulzů
Nenormalizované měření - rázových pulzů
Špičková hodnota dBm rázových pulzů a kobercová hodnota dBc jako absolutní hodnoty v dBsv
Normalizované měření - rázových pulzů
Maximální hodnota dBm rázových pulzů a kobercová hodnota dBc jako relativní hodnoty v dBsv , vztažené k hodnotě dBia
Individuální nastavení prahových hodnot pro každý měřicí bod
dBM
dBC
Normalizace dBM
dBC
dBia Alarm
Upozornění
Alarm
Upozornění dBn
dBsv
0
0
Hodnota dBia v sobě zahrnuje faktory jako otáčky, tlumení signálu a zatížení ložiska
Různé prahové hodnoty se vztahují k téže dBia , takže je lze použít ve všech měřících místech.
16. Diagnostika valivých ložisek: obálková analýza
Podobně jako frekvenční spektrum se používá k analýze vibrací strojů, tak se provádí podrobná analýza stavu valivého ložiska pomocí tzv. “obálkové analýzy”.
Na obrázku je znázorněn postup obálkové analýzy, která začíná odfiltrováním vhodného rozsahu frekvencí, který obsahuje signál vysílaný ložiskem při jeho činnosti. Tato složka signálu se prozkoumá, jestli obsahuje pulzy vznikající při přechodu valivého elementu ložiska přes poškozené místo. Demodulací se získá křivka “obalující” křivku signálu. Pokud časový úsek mezi dvěma špičkami v obálce souhlasí s některou z charakteristických poruchových frekvencí ložiska, lze odpovídající část považovat za poškozenou.
Tento postup poskytuje velice přesnou
diagnózu poškození valivých ložisek a to i tehdy, pokud je signál ložiska překrýván jiným signálem od dalších částí stroje nebo od jiných strojů a zařízení. Vyžaduje však znalost geometrických dat ložiska jako jsou jeho průměr, počet a průměr valivých elementů ložiska, kontaktní úhel a provozní otáčky.
33
Časový signál Časový signál
Ta
fa 2fa atd. f (Hz)
f (Hz)
Poruchová frekvence fa = 1/Ta Poškozené ložisko Nepoškozené ložisko
a, mm/s2
Obálka
Obálka
Spektrum obálky
t (s) t (s)
Spektrum obálky
Diagnostika valivých ložisek: obálková analýza
a, mm/s2
a, mm/s2 a, mm/s2
17. Diagnostika valivých ložisek: poškození vnitřního kroužku
Vyobrazení ukazuje příklad pokročilého poškození vnitřního kroužku. Silně zvýšená hodnota rázového pulzu, obzvláště vzestup špičkové hodnoty dBm z 18 na 48 dB, poukazuje na vážné poškození valivého ložiska. Obálková analýza ukazuje v obálkovém spektru typický obraz zřetelného poškození vnitřního kroužku. Nález po výměně ložiska potom potvrdil tuto domněnku. Jedna z obou oběžných drah kroužků vykazuje již známky poškození s plochou cca 15 × 15 mm.
35
fi: Poruchová frekvence vnitřního kroužku Vnitřní kroužek nepoškozen
Ložisko A Ložisko B
Spektrum obálky Spektrum obálky
Odsávací ventilátor lakovny P = 110 kW
Motor: 1307 ot/min. = 21.78 Hz Ventilátor: 908 ot/min. = 35.75 Hz Typ ložisek: naklápěcí ložiska 22218 měření rázových pulsů dBm dBc Ložisko A 48 29 dBSV Ložisko B 18 7 dBSV
Nález: Silné poškození vnitřního kroužku u ložiska A
poškození vnitřního kroužku
A B
Diagnostika valivých ložisek: poškození vnitřního kroužku
Zastoupení pro ČR a SR:
LAMI KAPPA, spol. s r.o.
Vladislavova 3142 CZ-41501 Teplice Tel: +420 417 534 542-3 Fax: +420 417 534 544 eMail: info@lamikappa.cz www.lamikappa.cz
PRÜFTECHNIK AG Oskar-Messter-Str. 19-21 85737 Ismaning, Germany Tel.: +49 89 99616-0 Fax: +49 89 99616-300 eMail: info@pruftechnik.com www.pruftechnik.com Technika pro produktivní údržbu
