Jste zde

Měření vibrací pro diagnostiku opotřebení strojů

Průběžnou kontrolu a detekci poškození či opotřebení pohyblivých rotačních strojů lze provádět pomocí měření vibrací. Můžeme tak včas identifikovat problémy s ložisky, rotory apod. ještě před zastavením / poškozením stroje. V tomto článku jsem se pokusil shrnout tuto rozsáhlou problematiku do "několika odstavců"...

Proč měřit vibrace strojů?

Vibrace působí nepříznivě na provoz strojů i na lidské zdraví. Vibrace nám často předem signalizují, že ve stroji dochází k nějaké závadě. Tomuto způsobu kontroly strojů za provozu se říká tzv. vibrodiagnostika. Vibrace se měří vibrometry, což jsou rychle reagující měřiče zrychlení.

Vibrodiagnostika představuje současný obor technické diagnostiky, který pomáhá v péči o veškeré stroje a jejich mechanické části. Kvalitně prováděná vibrodiagnostika je nezbytnou součástí systémů údržby a současně garantem bezporuchového a bezpečného provozu všech možných strojů a strojních zařízení. Vibrační diagnostiku podrobně popisují normy "ČSN ISO 13373-1: Monitorování stavu a diagnostika strojů - Monitorování stavu vibrací - Část 1: Obecné postupy" a "ČSN ISO 13373-2: Monitorování stavu a diagnostika strojů - Monitorování stavu vibrací - Část 2: Zpracování, prezentace a analýza vibračních dat" .

Kmitání (vibrace, chvění) stroje je velmi citlivým ukazatelem namáhání, technického stavu stroje a jeho funkce. Týká se to zejména ložisek, hřídelí, klikových ústrojí, vačkových mechanismů, nevyvážených rotačních součástí, vůlí rotačních součástí a jiné. Tato skutečnost je masivně využívána pro monitorování stavu strojů a jejich diagnostiku. Nejjednodušší formou je realizace širokopásmových měření celkových úrovní vibrací. Většinou se provádí v definovaném rozsahu podle platných norem, či doporučení výrobců a uživatelů pro dané konkrétní zařízení.

Signál od vibrací nese informace o příčině vibrací a jeho analýzou různými metodami lze zjistit vznikající nebo rozvíjející se závadu. U rotačních strojů je to obvykle metoda, která pokrývá nejvíce možných vyskytujících se závad.

Metodika měření opotřebení a poškození vibracemi

Měření se provádí systematicky, cíleně, obvykle nejprve na stroji v bezvadném technickém stavu s dalšími opakovanými s časovou periodou danou konkrétním typem stroje a druhem jeho provozu. Jak se postupně mění (zhoršuje) technický stav stroje, mění se i charakteristické kmitočtové spektrum, resp. především jeho jednotlivé složky mající vztah k jeho jednotlivým částem (ozubená kola, soukolí, hřídele, ložiska, rotory, setrvačníky, klouby a jiné). Na základě sledování a analýzy těchto změn spekter lze bezdemontážním způsobem velmi účinně diagnostikovat, detekovat, identifikovat, lokalizovat a popř. predikovat vznikající poruchu a opotřebení.

Vibrace vzniklé na různě opotřebených nebo poškozených rotujících částech elektropohonu se projevují v časové i ve frekvenční oblasti naměřeného vibračního signálu.

Principy měření a vyhodnocení vibrací

Pohyb lze v mechanice popsat dráhou (výchylkou), rychlostí nebo zrychlením, přičemž tyto veličiny jsou navzájem vázány matematickými vztahy a jsou tedy vzájemně přepočítatelné. Z tohoto hlediska nezávisí na volbě veličiny, kterou zvolíme pro popis vibračního chování, je to jen otázka měřítka a časového posunu (fáze):

  • Výchylka (displacement) se udává obvykle v mikrometrech [μm].
  • Rychlost  (velocity) je první derivací výchylky podle času (rychlost změny výchylky) a udává se obvykle v mm/s.
  • Zrychlení (acceleration ) je druhou derivací výchylky podle času (velikost změny rychlosti) a udává se obvykle v m/s2 nebo v g.

Pro běžná měření v rozsahu frekvencí 10 Hz až 1000 Hz se používá jako měřená veličina rychlost, pro vyšší frekvence má přednost zrychlení a pro nižší frekvence výchylka. Uvažujeme-li konstantní velikost kmitání na všech frekvencích vyjádřenou rychlostí např. 7,6 mm/s (což je hodnota, se kterou se při měření rotačních strojů můžete běžně setkat), pak výchylka při téže velikosti vibrací se s narůstající frekvencí zmenšuje a zrychlení zvětšuje. Frekvenční rozsah, který nás zajímá, je tedy jedním z faktorů, který rozhoduje o typu měřené veličiny. Pokud měřený frekvenční rozsah zahrnuje vysoké frekvence (jako např. zubové), bude nejlepší volbou měření zrychlení. Naopak, pokud bude měření omezeno na otáčkovou frekvenci, bude nejlepší volbou měření výchylky nebo rychlosti (v závislosti na aplikaci).

Rychlost vibrací je tedy nejvýhodnějším parametrem chvění pro diagnostické účely opotřebení pravidelně rotujících částí (pohonů, motorů, větráků apod.). Při měření rychlosti vibrací se nemusíme starat o frekvenci (otáčky), na jaké jsme danou hodnotu rychlosti naměřili, zatímco u ostatních dvou veličin je ještě potřeba uvést, při jaké frekvenci otáčení byla hodnota naměřena, jinak není možné stav stroje ohodnotit. Snímače rychlosti se používají jako snímače vibrací u rotačních strojů už velmi dlouho a v mnohých aplikacích se používají dodnes. Dnes se nejčastěji u všech poměrně levných akcelerometrů hodnota rychlosti získává integrováním hodnot zrychlení.

Podle Newtonova zákona je zrychlení měřítkem síly, která na částici působí. Okamžité zrychlení je dáno časovou změnou rychlosti a odvozeně druhou derivací okamžité výchylky podle času. Akcelerometr tedy měří absolutní vibrace (referencí je nehybná setrvačná hmota), na rozdíl od snímačů výchylky, které měří relativní vibrace (např. u elektromotorů vibrace rotoru vůči statorové části, která ale sama může kmitat).

Obecné blokové schéma snímačů a měřicích zařízení pro diagnostiku a vyhodnocení vibrací. V případě průmyslových snímačů jsou pak bloky "zobrazení signálu" obvykle nahrazeny bloky indikace poškození při překročení určité rozhodovací úrovně.

Typy snímačů vibrací

Snímače vibrací (vibrometry) dělíme podle typu snímané veličiny vibrací na:

  • snímače výchylky – bezdotykové sondy (sondy na vířivé proudy),
  • snímače rychlosti – velometry,
  • snímače zrychlení – akcelerometry.

 

Snímače výchylky (polohy, posunutí) kmitajícího tělesa lze obecně sestavit na principu indukčním, indukčnostním, kapacitním, magnetickém nebo optickém. Ve vibrodiagnostice se v současné době nejčastěji používají snímače indukčnostní, které využívají závislost indukčnosti cívky na proudové hustotě vířivých proudů. Vzhledem k vysokofrekvenčnímu principu jde o snímače citlivé na parazitní vlivy, jako jsou např. délka kabelu, vnější elektromagnetická pole atd. Proto se vyrábějí jako integrované, kdy kovový stínicí kryt obsahuje spolu s cívkou i základní část elektroniky. V poslední době se poměrně často používají i bezdotykové optické snímače výchylky, které sice neovlivňují měřený objekt, ale způsobují několik dalších problémů (zdrojů nejistot).

Obecné blokové schéma snímače pro měření výchylky vibrací.

Snímače rychlosti byly v dřívějších dobách obvykle principiálně založeny na měření kmitavých pohybů měřicí cívky, která se pohybuje v magnetickém poli permanentního magnetu tvořícího seizmickou hmotu snímače. V cívce se při kmitavém pohybu ze sledovaného objektu indukuje elektromotorická síla úměrná rychlosti vibrací. V současné době, kdy již každý snímač obsahuje digitální zpracování a vyhodnocení signálů a k měření vibrací obvykle spolehlivější a odolnější integrovaný senzor zrychlení (akcelerometr) se lze s elektrodynamickým principem setkat již jen zřídka a rychlost kmitavého pohybu se určuje integrací signálu zrychlení z akcelerometrů.

Dva principy konstrukce snímačů vibrací měřící rychlost. Z důvodu velkého množství mechanických částí se dnes již moc nepoužívá a byl nahrazen snímačem zrychlení, kde se signál zrychlení jen přepočítá na rychlost.

Snímače zrychlení (akcelerometry) dnes ve vibrodiagnostické praxi velmi výrazně převažují z již nastíněných důvodů masové výroby polovodičových technologií a všudypřítomných digitálních obvodů zpracování signálů a komunikace. Obecně se v praxi nejčastěji používaná snímač zrychlení využívající ke snímání pohybu seizmické hmoty. Zpravidla jde o absolutní snímač kmitání a v zásadě se dnes běžně využívají jen dva principy:

  • piezoelektrický akcelerometr,
  • kapacitní MEMS akcelerometr,
  • piezorezistivní MEMS akcelerometry.

 

Piezoelektrické akcelerometry jsou založeny na piezoelektrickém jevu a velmi často řešeny se smykovým namáháním piezokrystalu. Jak je deformován, vzniká elektrický signál úměrný zrychlení. Snímače s tímto uspořádáním se vyznačují dobrou citlivostí, malou hmotností a vysokou vlastní frekvencí. Piezoelektrické akcelerometry v základním provedení jsou obvykle použitelné v pásmu od několika málo Hz až do cca 40 kHz. Předností je také oddělení základny snímače od vlastního snímacího mechanismu, což umožňuje vyrábět snímače použitelné i při vyšší teplotě a s větší odolností proti mechanickému namáhání. Díky tomu jsou spolu s kapacitní MEMS technologií nejrozšířenější.

Kapacitní elektromechanické MEMS akcelerometry jsou masivně využívány posledních cca 10 let a jsou založeny na měření kmitání / vychýlení mikrometrové mechanické soustavy pomocí změny kapacity pohyblivých elektrod vůči pevným elektrodám (tj. změny kapacity desek kondenzátoru). Protože při pohybu seismické hmotnosti se jedna kapacita zvětšuje a druhá zmenšuje, vyhodnocuje se rovnou rozdíl hodnot kapacit. Miniaturní struktura je zabudovaná společně s analogovými a digitálními obvody vyhodnocení uvnitř integrovaného obvodu, což dohromady vytváří velmi odolný a zároveň velmi spolehlivý senzor. Tyto snímače jsou obvykle přesné a velmi citlivé, ale vhodné i pro nízké dynamické rozsahy zrychlení. Frekvenční rozsah bývá od 0 Hz až do cca 6 kHz, dynamický rozsah do cca 250 g. Také se vyznačují malými rozměry, ale jsou obvykle dražší a méně odolné na vysoké teploty než piezoelektrické akcelerometry.

Piezorezistivní snímače je možné také vyrobit jako integrované MEMS technologií a obvykle slouží k měření amplitudy zrychlení, pracují v podrezonanční oblasti a jejich frekvenční a dynamický rozsah je poměrně široký. Jsou založeny na piezorezistivním jevu, který je charakterizován vlivem krystalografické orientace hmoty na rezistivitu materiálu. Při namáhání ohybem se mění rezistivita piezorezistivních elementů uspořádaných obvykle do Wheatstoneova můstku. Frekvenční rozsah od 0 Hz do 7 kHz, dynamický rozsah od 1,5 g do 2000 g.

Umístění snímačů vibrací

Zatímco absolutní vibrace popisují pohyb sledovaného tělesa (části stroje nebo zařízení) zpravidla vzhledem k Zemi, při relativním měření jde o pohyb vzhledem k uměle vytvořené, resp. vhodně zvolené základně. Takovou základnou je často rám stroje, který sám může ještě různě kmitat vzhledem k zemskému souřadnému systému. Důležitá je zde dostupnost inkriminované části stroje buď přímá, nebo popř. s využitím přenosu jejího chvění na přístupnější místo.

Například kmity hřídele uložené v kluzných ložiskách utlumí mazivo, takže na tělese ložiska, na rozdíl od uložení hřídele ve valivých ložiskách, sledované vibrace nelze změřit. Pro analýzu kmitání takového stroje je pak nutné volit relativní snímač kmitů hřídele proti rámu, a je-li to třeba, ještě nezávisle měřit absolutní vibrace rámu.

Upevnění snímače vibrací k měřenému stroji

Jednou z významných problémových oblastí, a tedy i následně zdrojem nejistot, je jejich uchycení ke sledovanému objektu. Způsob upevnění snímače má vliv především na frekvenční rozsah, v němž je možné vibrace měřit. Nejmenšího ovlivnění frekvenční charakteristiky a maximálního využití frekvenčního rozsahu lze dosáhnout při upevnění snímačů závrtnými šrouby, popř. ještě vylepšeném tenkou vrstvou silikonové vazelíny mezi styčnými plochami. Velmi dobrého frekvenčního rozsahu se dosahuje také při připevnění speciálními lepidly nebo včelím voskem. Adhezní síla musí spolehlivě udržet snímač na ploše a současně musí být možné snímač bez poškození sejmout. Proto se zde často používají také zubní cement nebo kyanoakrylátová lepidla.

Nejproblémovější jsou snímače s ručním hrotem nebo magnetickou příchytkou, které však mají svůj nezastupitelný význam při hledání vhodného měřicího místa. Stejný význam jako způsob uchycení má i vhodná volba místa pro instalaci snímače. Zejména u absolutních snímačů je třeba volit taková místa, aby tuhostí a pružností konstrukce částí sledovaného stroje nedošlo ke zkreslení chvění nebo jeho frekvence.

Použití snímače vibrací k vyhodnocení opotřebení stroje

Norma ČSN ISO 10816 hodnotí stroje podle vibrací na základě měření v pásmu 10 Hz až 1000 Hz, kde se dle zkušeností vyskytuje převážná část informací o strojích. Existují však aplikace, kde by použití tohoto frekvenčního pásma bylo chybné. Frekvence 10 Hz znamená 600 ot/min, ale řada strojů má nižší otáčky. Pak je nutné změnit spodní mez měřeného pásma.

Provozní meze vibrací v praxi se v případě dlouhodobého sledování některých druhů strojů stanovují provozní poplachové meze vibrací. Mají obvykle dvě formy:

  • VÝSTRAHA - slouží k varování, že bylo dosaženo definované hodnoty vibrací nebo že se vyskytla významná změna, po níž může být nutné učinit nápravné opatření. Provoz stroje může obecně pokračovat po dobu, než se navrhne nápravné opatření.
  • PŘERUŠENÍ PROVOZU - slouží ke stanovení velikosti vibrací, jejíž překročení může při dalším provozu způsobit poškození stroje. Při překročení této hodnoty musí být okamžitě učiněno nápravné opatření nebo se stroj musí vypnout.

Pro různá měřící místa a směry měření mohou být stanoveny rozdílné provozní meze odrážející rozdíly v dynamickém zatížení a tuhosti uložení. Norma ČSN ISO 10816 pak uvádí směrnice ke stanovení kritérií pro obě provozní meze stanovených druhů strojů.

Závěr

Výše uvedený popis je jen velmi stručný úvod do problematicky měření vibrací rotačních / pohybujících se strojů. Pro zájemce o podrobné studium problematiky i praxe a norem ohledně vibrací, jejich měření a vyhodnocení odkazuji na výbornou pdf publikaci autorů Jana Biloše a Aleny Bilošové s názvem "APLIKOVANÝ MECHANIK JAKO SOUČÁST TÝMU KONSTRUKTÉRŮ A VÝVOJÁŘŮ: ČÁST VIBRAČNÍ DIAGNOSTIKA", kterou lze stáhnout na odkazu http://projekty.fs.vsb.cz/147/ucebniopory/978-80-248-2755-1.pdf

Odkazy:

Hodnocení článku: 



Informace obsažené v článcích jsou platné k datu vydání uvedeném v hlavičce článku a jejich platnost může být časově závislá

Komentáře a diskuse vyjadřují názory autorů, nikoliv redakce, která za jejich obsah nenese zodpovědnost.