Diagnostyka wibroakustyczna maszyn

Diagnostyka wibroakustyczna maszyn

 

DIAGNOSTYKA DRGANIOWA MASZYN

(wibrodiagnostyka, diagnostyka wibroakustyczna)

Drgania są dobrym wskaźnikiem stanu maszyny. Diagnostyka maszyn z wykorzystaniem pomiarów i analizy drgań opiera się na trzech podstawowych zasadach:

*   wszystkie maszyny o ruchu obrotowym drgają,

*   energia drgań rośnie, gdy stan maszyny pogarsza się,

*   przy obecnym stanie techniki drgania mogą być dokładnie zmierzone i zinterpretowane (wyniki wielu okresowych pomiarów mogą być zebrane w komputerowej bazie danych do dalszej obróbki, z wykorzystaniem sztucznej inteligencji włącznie).

 

Nadmierne poziomy drgań oraz hałasu maszyn powodują szybsze ich zużycie. To z kolei skutkuje awariami i zakłóceniami w procesie produkcyjnym. Może też być przyczyną wielu chorób zawodowych pracowników obsługujących instalacje, a w skrajnym przypadku źródłem śmiertelnych wypadków. Jak im zapobiegać?

 

W ciągu ostatnich lat można zaobserwować malejące zainteresowanie diagnostyką wibroakustyczną maszyn. Mniejsza ilość wykonywanych badań nieniszczących w okresie międzyremontowym wynika z chęci minimalizacji kosztów eksploatacji urządzeń. Taka oszczędność jest jednak tylko pozorna.

Wibroakustyka jako źródło wiedzy

Stan dynamiczny maszyn możemy ocenić za pomocą generowanych przez nie procesów wibroakustycznych. Do tego celu stosowane są pomiary drgań bezwzględnych, względnych (np. wałów), hałasu oraz pulsacji ciśnienia, które się wzajemnie uzupełniają i stanowią doskonałe źródło informacji. Na podstawie wieloletnich doświadczeń stwierdzono, że najbardziej przydatna przy tego typu badaniach jest częstotliwościowa analiza sygnału (FFT). Daje ona informację nie tylko o wielkości drgań, ale również o ich częstotliwości oraz poziomie całkowitym. Niekiedy istnieje potrzeba stosowania metod bardziej złożonych, takich jak: analiza cepstralna (szczególnie przydatna przy badaniach przekładni zębatych), stosowanie koherencji i korelacji sygnałów (lokalizacja źródeł drgań) oraz użycie funkcji przetwarzania H1, H2 bądź H3 (określanie częstotliwości rezonansowych maszyny). Przy badaniach drgań łopatek turbin powszechnie mają zastosowanie wykresy Campbell’a, a do określenia prędkości krytycznych wałów stosuje się wykresy Body’ego. Przy uszkodzeniach łożysk, oprócz analizy widmowej FFT, stosuje się często pomiary kurtozy lub obwiedni sygnałów. Analiza obwiedni stosowana jest również przy badaniach uszkodzeń przekładni zębatych. Badając drgania turbin bardzo pożytecznym jest pomiar emitowanego przez nie hałasu, szczególnie w przypadku drgań łopatkowych spowodowanych przebiegami transonicznymi pary wodnej w dyfuzorze. Tego typu zjawiska pojawiają się przy naddźwiękowym opływie profilu łopatek turbiny w warunkach silnego zaburzenia przepływu głównego. Diagnostyka wibroakustyczna ma nie tylko bardzo ważny i istotny wpływ na żywotność maszyny, lecz również na jakość produktu, który za pomocą urządzenia jest wytwarzany.

Kryteria oceny stanu dynamicznego maszyn

Przed przystąpieniem do pomiarów drgań wskazane jest zapoznanie się z kryteriami dopuszczalnymi wibracji dla danej maszyny. Dane takie powinny znajdować się w dokumentacji techniczno-ruchowej (DTR). Każdy producent maszyny zna bowiem najlepiej swój wyrób i jego newralgiczne punkty pomiarowe. Dopiero w przypadku ich braku posługujemy się obowiązującymi normami i własnym doświadczeniem.

Badanie drgań rurociągu w przepompowni gazu

Badania rurociągu gazowego w przepompowni gazu miały na celu ustalenie przyczyny podwyższonych drgań tego rurociągu. W wyniku pomiarów stwierdzono, że powodem drgań tego rurociągu jest jego praca w rezonansie (31,2 Hz) wzbudzana 6-tą harmoniczną od pulsacji ciśnienia. Obroty silnika spalinowego oraz sprężarki do tłoczenia gazu wynosiły 312 obr./min (5,2 Hz). Dla zmniejszenia drgań rurociągu gazowego zaproponowano odstrojenie od pracy w rezonansie poprzez zmianę pracy maszyny lub usztywnienie rurociągu. Drgania rurociągu przy różnych prędkościach obrotowych sprężarki przedstawiono na rys. 2, 4, 6, zaś analizę widmową pulsacji ciśnienia dla tych samych prędkości na rys. 1, 3, 5. Zleceniodawca zdecydował się na pracę sprężarki przy prędkości obrotowej sprężarki 324 obr./min (5,4 Hz). Dzięki takiemu zabiegowi w przepompowni tej nie występują problemy z podwyższonymi drganiami rurociągu.

Analiza widmowa drgań łożyska kulkowego przy uszkodzeniu jego bieżni sprężarki GARO 22 „C” w zakładach chemicznych

Mierząc okresowo drgania bezwzględne łożysk kulkowych sprężarki GARO 22 „C” stwierdzono, że dla łożyska 4H zgodnie z normą ISO 10816-3 zawierają się one w zakresie od 1,7 do 2,5 mm/s. Odpowiada to strefie B. O ile poziom drgań zgodnie z tą normą był zadawalający, o tyle niepokój wzbudzał poziom przyspieszenia (rys. 7) oraz wysokie wartości (> 3) współczynników szczytu oraz kurtozy świadczące o uszkodzeniu łożyska. Po odstawieniu sprężarki i dokonaniu przeglądu łożysk stwierdzono ich uszkodzenia. Wyniki pomiarów potwierdziły się w praktyce. Widać więc, że przy badaniach maszyn nie należy sugerować się tylko jednym pomiarem (estymatą), w tym przypadku prędkością.

Analiza widmowa pulsacji ciśnienia masy papierniczej w sortowniku typu LS-1300
Sortowniki służą do rozdrabniania masy papierniczej w papierni i jej sortowania na odrzut ciężki i lekki. Obiektem badań był sortownik typu LS-1300. Napędzany jest on silnikiem elektrycznym typu 2SLG 315 M-6A 315 M-6A, o mocy 90 kW, 50 Hz, 315 – 415 V, 165 – 154 A oraz prędkości obrotowej 984 min -1. Na sortownik napęd jest przenoszony za pomocą przekładni pasowej. Średnice kół pasowych silnika i sortownika wynoszą odpowiednio 352 mm i 1810 mm. Przy pomierzonej, rzeczywistej prędkości obrotowej silnika wynoszącej 737 min -1 prędkość obrotowa sortownika wynosi 984 min -1 * (352 mm/1810 mm) = 191,3 min –1. Odpowiada to częstotliwości 3,18 Hz. Sortowniki te posiadają po 10 łopatek. Częstotliwość łopatkowa wynosi więc 10 * 3,18 Hz, czyli 31,8 Hz. Sortowniki te nie mogą wprowadzać nadmiernej pulsacji masy papierniczej, która pogarsza jakość papieru. Kryterium przyjęte przez producenta sortowników (na podstawie swoich wieloletnich doświadczeń przy ich produkcji) jest takie, by podwójna amplituda pulsacji (peak – peak) w paśmie do 30 Hz była mniejsza od 3,5 mbar. Na rys. 8 przedstawiono wyniki pulsacji na wyjściu z sortownika przy nadmiernych luzach łożyskowych wirnika sortownika. Zgodnie z przyjętym kryterium pulsacje były niedopuszczalne. Na rys. 9 przedstawiono pulsacje na wyjściu z sortownika po zlikwidowaniu luzów łożyskowych. Były one prawidłowe.

Analiza widmowa pulsacji na wejściu oraz wyjściu attenuatora

Attenuatory są to urządzenia w papierni służące do tłumienia pulsacji masy papierniczej. Są one montowane w pobliżu wlewu maszyny papierniczej. Na rys. 10 przedstawiono analizy widmowe pulsacji w attenuatorze po jego regulacji i uruchomieniu na maszynie. Punkt pomiarowy P2 znajduje się na wejściu attenuatora, natomiast punkt pomiarowy P3 znajduje się na jego wyjściu. Widać bardzo duże tłumienie pulsacji masy papierniczej o częstotliwości 139,3 Hz.

Badanie hałasu wentylatorów w elektrociepłowni

Badania akustyczne w otoczeniu wentylatorów miały na celu ich wyciszenie. Dla zaprojektowania i wykonania wyciszenia tych wentylatorów niezbędne było wykonanie mapki akustycznej w ich otoczeniu – przedstawionej na rys. 11. Znając dokładnie miejsca wentylatorów o największej emisji akustycznej można było zaprojektować najbardziej optymalne zmniejszenie poziomu hałasu.

Wibroakustyka to szereg korzyści

Przedstawione w artykule przykłady konkretnych rozwiązań wykorzystujących wibroakustyczne pomiary maszyn dowodzą przydatności tych badań do oceny stanu technicznego urządzeń. Wykorzystując te badania można wcześnie wykrywać różnego rodzaju uszkodzenia i zapobiegać awariom.