Analýza závad
Analýza závad Analýza spekter Nevyváženost Nesouosost Mechanické uvolnění Závady ložisek Závady elektromotorů Analýza převodovek Rezonance a kritické otáčky
1. Analýza frekvenčních spekter
Spektrum jako nástroj vibrační diagnostiky Pracuje-li stroj periodicky, projevují se periodicky i jednotlivá poškození nebo změny technického stavu. Při znalosti frekvence buzení jednotlivých součástí stroje lze identifikovat jejich poškození Znalost budicích frekvencí a změn amplitud na těchto frekvencích je základním nástrojem vibrační diagnostiky
Ve frekvenčním spektru hledáme Základní budicí frekvence Odpovídají chybovým frekvencím stanoveným výpočtem z konstrukčních parametrů Jsou funkcí rotorových frekvencí hřídelí, které se otáčí konstantní frekvencí Pohybují se v nízkofrekvenční oblastí spektra Jsou zásadní pro identifikace zdroje poškození
Ve frekvenčním spektru hledáme Harmonické frekvence Jsou celočíselným násobkem základní frekvence Jsou důsledkem odchylek časového průběhu od tvaru funkce sin(t) Obdélníkový časový průběh = velké množství harmonických frekvencí Jejich velikost ve vztahu k základní frekvenci jsou zásadním příznakem poškození
Ve frekvenčním spektru hledáme Subharmonické frekvence Jsou celočíselným podílem základní frekvence Jsou důsledkem odchylek časového průběhu od tvaru funkce sin(t) Jejich velikost ve vztahu k základní frekvenci jsou zásadním příznakem poškození
Ve frekvenčním spektru hledáme Interharmonické frekvence Jsou neceločíselným násobkem nebo podílem základní frekvence Mohou být způsobeny signálem z neznámého zdroje Vyskytují se především v pokročilém stádiu poškození
Ve frekvenčním spektru hledáme Frekvence na postranních pásmech Rozprostírají se kolem základní nebo harmonické složky Jsou od ní vzdáleny o konstantní vzdálenost na obě strany (směrem k vyšším i nižším frekvencím) Jejich amplituda se vzdáleností klesá Jejich množství a velikost jsou příznakem stádia poškození Přítomnost postranních pásem vyplývá z amplitudové modulace signálu (periodické změny amplitudy v čase) Změna amplitudy bude souviset nejčastěji as rotorovou frekvencí
Postranní pásma
Ve frekvenčním spektru hledáme Spojitá pásma Jsou důsledkem nestacionárních (obecněji náhodných) signálů Mohou být způsobeny frekvenční modulací Nejčastěji jsou důsledkem proudění tekutin Tření Víření oleje
Frekvenční spektra analyzujeme Ve 3 navzájem kolmých osách Prioritní je systém: vodorovně – svisle – axiálně Každá osa nese důležitou informaci (nevažme se jen na radiální směry) Frekvenční rozsah by měl být přizpůsoben možnému výskytu harmonických složek (alespoň po 3 harmonickou) Frekvenční rozlišení by mělo být schopno identifikovat postranní pásma Pozor na změny při logaritmickém zobrazení
Další možnosti spektrální analýzy Souběhová filtrace Určena pro stanovení kritických a optimálních oblastí Sleduje celkové vibrace v závislosti na periodickém signálu emitovaném strojem (nejčastěji na rotorové frekvenci) Výsledkem je graf (otáčky – amlituda) Vztahuje výsledné vibrace ke konkrétnímu zdroji – zdroji báze souběhu
Další možnosti spektrální analýzy Řádová analýza Určena pro stanovení kritických a optimálních oblastí Základní otázka: Jaký je vývoj vibrací při změnách otáček na jednotlivých harmonických složkách? Zobrazuje vibrace v závislosti na frekvenci a řádu (násobku) základní frekvence V doběhové (rozběhové) charakteristice je výřezem jednotlivých paprsků
Další možnosti spektrální analýzy Řádová analýza
2. Nevyváženost
Nevývaha statická Typické spektrum statické nevývahy Statická nevývaha 1.v.r. 1H - R 2H - R Typické spektrum statické nevývahy Statická nevývaha • V praxi se téměř nevyskytuje • Vektor nevývahy je stabilní - amplituda a fáze • Převládá chvění v radiálním směru • Na ložiscích je shodná fáze 1H frekvence (+-20°) • Amplituda roste kvadraticky s otáčkami (2x vyšší otáčky => 4x větší amplituda 1H) • Rotory se vyvažují pouze v jedné rovině • Fázový posun mezi horizont. a vert. směrem na tomtéž ložisku je 90° (+-20°) Poznámka: 1/ Silná nevyváženost způsobuje výskyt vyšších harmonických 2/ Platí pro podkritické otáčky
Nevývaha dynamická Typické spektrum dynam. nevývahy Párová nevývaha 1.v.r. 2.v.r. Typické spektrum dynam. nevývahy 1H - R Párová nevývaha Nevývažky v obou vyvažovacích rovinách jsou shodné 2H - R Dynamická nevývaha • Nevývažky v obou vyvažovacích rovinách jsou rozdílné • Nejčastější typ nevyváženosti • Převládá chvění v radiálním směru • Amplituda roste kvadraticky s otáčkami (2x vyšší otáčky => 4x větší amplituda 1H) • Rotory se musí vyvažovat ve dvou rovinách • Vektor nevývahy je stabilní - amplituda a fáze. Na ložiscích je konstantní fáze 1x frekvence (+-20°)
Nevývaha převislého rotoru 1.v.r. Typické spektrum nevývahy převislého rotoru 1H - A+R 2H - A+ R Nevývaha převislého rotoru • Typický případ ventilátorů • Radiální i axiální vibrace • Vektor nevývahy je stabilní - amplituda a fáze • Fáze v axiálním směru obvykle shodná (+-20°), v radiálním směru často neustálená • Obvykle postačuje vyvážení v jedné rovině
3. Nesouosost
Nesouosost rovnoběžná mm/s 10 3.1 1 0.31 Radiálně Rovnoběžná nesouosost 1H 2H 3H Výrazné radiální vibrace Fázovým posun v radiálním směru na spojce 180° (+-20°) - nejlepší indikátor nesouososti Obvykle převládá druhá harmonická otáčkové frekvence (záleží na typu a materiálu spojky) Může dojít k vybuzení i vyšších harmonických složek Na volném konci může být i větší odezva na nesouosost než na ložisku u spojky Vibrace mohou být směrové - větší v horiz. nebo vert. směru
Nesouosost úhlová Úhlová nesouosost Výrazné axiální vibrace 10 3.1 1 0.31 1H 2H 3H Axial mm/s Úhlová nesouosost Výrazné axiální vibrace Fázovým posun v axiálním směru na spojce 180° (+-20°) - nejlepší indikátor nesouososti Výrazné složky 1H, 2H případně 3H otáčkové frekvence (2H překročí 50% 1H) Může dojít k vybuzení i vyšších harmonických složek Občas větší amplituda vibrací na volném konci Poznámka: 1/ Nesouosost se často projevuje pouze na 1H .
4. Mechanické uvolnění
Mechanické uvolnění Uvolněný základ: mm/s 10 Radiálně 3.1 1 0.31 .5H 1.5H 1H 2H 3H Uvolněný základ: • Zahrnuje: strukturální vůle základů, podstavců apod. deformace základu nebo rámu uvolnění kotvících šroubů apod. • Výrazná 1H, případně i 2H otáčkové frekvence • Menší subharmonické 0.5H, 1.5H... • Vyšší vibrace jsou obvykle spojeny s jedním rotorem a na rozdíl od nevývahy nebo nesouososti se nepřenáší tolik na ostatní rotory • V případě uvolněného základu je fáze mezi těmito objekty 180° • U prasklého rámu apod. může být amplituda a fáze chaotická Mechanické uvolnění Poznámka: Mechanické uvolnění je vždy pouze důsledek jiné příčiny
Mechanické uvolnění Mechanické uvolnění: mm/s .5X 1X 1.5X 2X 3X 10 3.1 1 0.31 Radiálně Mechanické uvolnění: • Dochází k výrazným nelinearitám ve struktuře, jež generuje rázy • Případy: vůle ložiska v domku vydření hřídele v místě vnitřního kroužku valivého lož. velké vůle v ložiscích • Často řada harmonických složek - 20H i více • Subharmonické 1/2, 1/3, ... 1/n • Neustálená fáze • Často silně směrové vibrace
5. Závady ložisek
Valivá ložiska Postup rozvoje závady valivého ložiska: 1kHz 25kHz 3H BPFI BPFO 1H 2H 300kHz fn Postup rozvoje závady valivého ložiska: • První fáze: dochází k emitování akustické emise na 200-400kHz, potíže se zastíněním a odfiltrováním nežádoucích složek - obtížně určitelné • Druhá fáze: generují se vlastní frekvence poškozených komponent ložiska, záleží na použité metodě, nejlepší je obálková analýza, protože provádí frekvenční analýzu demodulovaného signálu • Třetí fáze: výskyt ložiskových frekvencí ve spektru, obvykle již velmi pozdě na - ložisko před havárií
Valivá ložiska • Závadu valivého ložiska nejlépe detekujeme pomocí CPB spektra nebo obálkové analýzy. • Obálková spektra můžeme použít jak k detekci tak i k diagnostice valivého ložiska. • Pokud není valivé ložisko vadné => „rovné“ obálkové spektrum.
b Valivá ložiska Výrazné složky na chybových frekvencích ložiska Vyšší harmonické na rotorové frekvenci n – počet valivých těles D1 D2 BD b
Valivá ložiska – chybové frekvence Vnější kroužek Vnitřní kroužek Valivé těleso Klec
Projevy závad valivých ložisek v obálkových spektrech Závada na vnějším kroužku: • frekvence průchodu valivých tělísek přes závadu vnějšího kroužku (BPFO) s vyššími harmonickými. BPFO RPM BPFI 2. Závada vnitřního kroužku: • frekvence průchodu valivých tělísek přes závadu vnitřního kroužku (BPFI) s postranními pásmi RPM. 3. Závada valivého tělíska: • vyžaduje okamžitou akci, • frekvence otáčení valivého tělíska, (BSF) s vyššími harmonickými, • často v kombinaci s interharmonickými. BSF
Závady montáže ložisek detekovaných spektry obálek Rotorová nesouosost Rotorová nevyváženost. RPM 1*RPM Radiální předpětí ložiska. 2*RPM 2*RPM Nesouosost vnějšího krouźku. 2*BPFO 2*BPFO Prokluzování kroužku v ložiskovém domku. Harmonické RPM RPM Zvýšení úrovně pozadí Závada mazaní.
Vliv vibrací na životnost ložiska Odhad vlivu změny dynamického zatížení (naměřených vibrací) na životnost ložiska Uvažujeme jednořadé kuličkové ložisko bez axiální síly zatížené převládající nevyvážeností. Při změně vibrací na dvojnásobek (z 2 m/s2 na 4 m/s2) klesne životnost ložiska 8x Při změně vibrací na pětinásobek (z 2 m/s2 na 10 m/s2) klesne životnost ložiska Vliv vibrací na životnost ložiska 125x
Doporučení pro měření vibrací Z naznačeného vyplývá, že měření vibrací ve zrychlení je přímo úměrné dynamické síle a nepřímo úměrné s třetí mocninou životnosti ložiska. V případě výpočtu životnosti jiných komponent než valivých ložisek, je třeba uvažovat jinou úměru pro vztah k vibracím. Měření vibrací v rychlosti vypovídá o energii emitované dynamickými silami, avšak nevypovídá příliš o životnosti zařízení. Pro sledování stavu (životnosti) valivého ložiska doporučujeme měření vibrací ve zrychlení.
Doporučení pro měření vibrací Při použití CPB (oktávových) měření v logaritmické frekvenční stupnici, můžeme navíc snadno srovnávat vliv jednotlivých frekvenčních složek spektra na životnost zařízení. Toto je dáno vlastností logaritmické stupnice CPB, kde každá frekvenční čára reprezentuje srovnatelný vliv na namáhání součásti (relativní procentuální šířka pásma). Konečným doporučením tak může být : CPB6% - zrychlení, v max. frekv. rozsahu
Kluzná ložiska Nestabilita olejového filmu: • normálně 42 %- 47 % wo = 0 Nestabilita olejového filmu: • normálně 42 %- 47 % rychlosti otáčení • v některých případech 0.2 -0.7X • nesynchronní • když ampl. vib. dosáhne 50% vůle 10 wo = ws 3.1 1 0.31 wo ~ (0.3 - 0.5) * ws 0.43X 1X 2X mm/ 1X 2X 3X 4X 5X 6X 7X 8X 9X 10X... Opotřebení: • vyšší harmonické RPM (10x až 20x) • výrazně zesiluje vliv nevyváženosti a nesouososti 10 3.1 1 0.31
6. Závady elektromotorů
Problémy elektrických strojů mm/s 1X Line 2x 2*Line freq. 10 3.1 1 0.31 Excentricita statoru Volné železo (vůle ve stat.) Zkratované statorové plechy: • druhá harmonická síťové frekvence • silnì směrové vibrace 10 3.1 1 0.31 1X Line 2X 2*Line freq. Excentrický rotor: • 2x síťová frekvence s modulacemi frekvence průchodů pólů (PPF) PPF = skluzová frekvence * počet pólů skluzová frekvence = synchronní otáčky - RPM
Prasklé rotorové tyče elektromotoru 1X 2X RBPF Odstup postranních pásem Prasklé rotorové tyče, uvolněné rotorové tyče, zkratované rotorové plechy, špatné spoje mezi rotorovými plechy: • postranní pásma okolo frekvence průchodu rotorových tyčí (RBPF) s frekvencí skluzovou, < - 35 dB = vážné > - 45 dB = OK. Rotorové tyče Statorové tyče Uvolněné rotorové tyče mohou také způsobit postranní pásma s frekvencí síťovou okolo frekvence 1x a 2x RBPF. 35 dB 45 dB PPF = skluzová frekvence * počet pólů skluzová frekvence = synchron. otáčky - RPM RBPF = počet rotorových tyčí * RPM Zoom spektrum (1X- n*Slip Freq) 1X (1X+n*Slip Freq)
Synchronní motory, DC motory uvolněné statorové cívky • modulace s frekvencí RPM okolo frekvence průchodů cívek 1X 2X frekvence prùchodù cívek odstup 1x RPM DC motory Silicon Controlled Rectifiers (SCR) zvýšení SCR frekvence může způsobit: • vadný SCR • uvolněné spoje • zlomené budící vinutí 1X 2X SCR = 6*síová frekv. 2*SCR
7. Analýza převodovek
Převodovky Cepstrální analýza a průměrování v časové oblasti výrazně zjednodušují práci při odhalování závad ozubených převodů. GMF 2*GMF Spektrum převodovky • Závady produkují postranní pásma okolo zubových frekvencí (GMF) a jejich harmonických. Cepstrum převodovky • Energie každého postranního pásma (závady) je vyjádřena jednou čarou v cepstru.
Převodovky Typické problémy na převodovkách •Normální stav - obvykle i za normálního stavu jsou ve spektru přítomné nižší harm. GMF a jejich postranní pásma • Tření v ozubení - generuje vlastní frekvenci ozubeného kola a zesiluje některé nižší harmonické zubové frekvence včetně jejich postranních pásek • Přetížení zubů - výraznì zesiluje první harmonickou zubové frekvence a její postranní pásma •Excentricita ozubeného kola - zesiluje postranní pásma okolo GMF a částečný vznik vlastních frekv. ozubených kol • Nesouosost ozubených kol - obvykle zesiluje druhou harm. GMF a její postranní pásma Převodovky GMF 2*GMF 3*GMF 1x GEAR fn GMF 3*GMF 1x 2*GMF GMF 2*GMF 3*GMF 1x GMF 2*GMF 3*GMF 1x GEAR fn
8. Rezonance a kritické otáčky
Vlastní frekvence a rezonance Rezonanční frekvence je rovna: Experimentální identifikace rezonance plyne z její definice (vlastní frekvence = budicí frekvence) Princip identifikace : Buzení soustavy širokopásmovým signálem Na vlastní frekvenci dojde k jeho zesílení
Vlastní frekvence a rezonance Druhy buzení soustavy Bílý šum Signál s konstantní amplitudou v širokém pásmu frekvencí Vytvořen uměle Nejčastěji nahrávka Rázový impuls
Bílý šum Frekvence Čas
Buzení impulsem Frekvence Čas
Kritické otáčky - určení Lze určit výpočtem a měřením Měříme vlastní frekvence Vypočítáme budicí frekvence Nejlepší metodou identifikace je rozběhová a doběhová charakteristika Určí celé kritické pásmo Odhadne linearitu Ryze experimentální metoda