Vibrodiagnostika Kateřina Jandová

Úvod Vibrodiagnostika je jednou z hlavních metod bezdemontážní nedestruktivní diagnostiky. Vibrodiagnostické měření je z principu prováděno za běžného provozu, bez omezení výroby. Využívá vibrace, jako zdroj informací, pro stanovení technického a provozního stavu strojních zařízení. Hlavním cílem vibrodiagnostiky je odhalit skutečný stav zařízení a tím umožnit operativní plánování údržby, minimalizovat zbytečné preventivní opravy a předcházet havarijním odstávkám.

Rozdělení signálů Stacionární signál má střední hodnotu a rozptyl konstantní Deterministické signály je možno analyticky popsat Stochastický signál (náhodný signál): nelze jej analyticky popsat, popsaný statistickými charakteristikami střední hodnota a rozptyl, opak deterministického signálu Nestacionární signál – výrazně se mění parametry v čase Spojité Přechodové jevy a rázy

Frekvenční analýza Založena na matematickém teorému (Fourier), že každá periodická křivka může být určena jako součet sinusových křivek, které jsou harmonickými složkami daného průběhu: f(t) = A0 + A1 sin (ωt + φ1) + A2 sin (ωt + φ2) +.. Na obrázku zrychlení pístu spalovacího motoru

Určující veličiny vibrací Nejzákladnějšími veličinami při vyhodnocování mechanického kmitání jsou výchylka, rychlost a zrychlení. Pokud budeme posuzovat veličiny z hlediska frekvenční oblasti, tak pro nízké frekvence (řádově Hertzy) je vhodné vyhodnocovat amplitudu, pro vysokofrekvenční složky kmitání je vhodné vyhodnocovat efektivní hodnotu zrychlení.

Popis časového signálu Nejdůležitější veličiny : Maximální hodnota (Peak) Peak - Peak Střední hodnota (Average) Efektivní hodnota (RMS)

Veličiny popisující časový signál Maximální hodnota ( Peak ) Popisuje amplitudy krátkodobých jevů, mechanických rázů apod. Indikuje pouze přítomnost špičky, ale neukazuje na časový průběh ani kmitočtové složení hodnoceného kmitání. Nazývá se jinak vrcholová hodnota, výkmit nebo špičková hodnota. Střední hodnota (Average) Získává se zprůměrováním absolutních hodnot časového průběhu signálu. Efektivní hodnota - RMS (Root Mean Square) Z hlediska kvantitativního hodnocení amplitud mechanického kmitání nejdůležitější hodnotou. Ukazuje jeho časový průběh a současně má přímý vztah k jeho energetickému obsahu, a je tedy i měřítkem nebezpečnosti a škodlivosti mechanického kmitání.

Měřící řetězec Snímač vibrací – předzesilovač – pásmové filtry – integrátor – výstup

Výběr výstupu Maximální hodnota (Peak) nebo efektivní hodnota (RMS) je nejjednodušší způsob jak popsat stav systému. Na základě jedné hodnoty nelze provádět rozsáhlejší diagnózy, je třeba více parametrů. Frekvenční spektrum dává detailní informaci o zdrojích signálu, které nelze vyčíst z časového signálu. Obecné pravidlo : Efektivní nebo maximální hodnota se uplatní u jednoduchých strojů, složitější zařízení vyžadují spektrální analýzu.

Výběr výstupu Větrák : častou závadou je nevyváženost, která se projeví zvýšením vibrací. K zjištění zdali nevyváženost nevzrůstá je vhodné měřit maximální hodnotu. Převodovka : poškozený převod se zobrazí jako růst míry vibrace na frekvenci, která je nižší než maximální měřená hodnota. Je nutné hodnotit celé spektrum.

Znázornění frekvencí vibrací Lineární stupnice frekvence snadno zobrazí harmonické složky signálu. Logaritmická stupnice rozšiřuje oblast nízkých frekvencí a současně komprimuje oblast vysokých frekvencí, takže je v celém pásmu zajištěna totožná relativní (procentní) rozlišovací schopnost. K výhodě také patří možnost znázornění celého pracovního rozsahu na nepříliš dlouhé ose.

Šířka pásma a pásmový filtr Ideální filtr propustí pouze signál s frekvencemi v rozsahu šířky pásma B = f2 - f1 Reálný filtr Šířka pásma určená poklesem 3dB Filtr typu pásmová propust

Typy filtrů Konstantní šířka pásma : šířka pásma je nezávislá na střední frekvenci filtru Relativní šířka pásma : šířka pásma je určena procentně okolo střední frekvence, tzn. šířka pásma se zvětšuje s rostoucí střední frekvencí.

Konstantní šířka pásma = 400 Hz Při použití filtrů s konstantní šířkou pásma je vhodné zobrazit výsledky na lineární osu. Signály z mechanických vibrací strojů mají často harmonické charaktery, snadno identifikovatelné na lineární stupnici.

Relativní šířka pásma Šířka pásma = 1/1 oktávy = 70% střední frekvence Při použití tohoto filtru je vhodné logaritmické měřítko

Výběr šířky pásma Čím užší šířka pásma, tím detailnější informace Princip neurčitosti :

Znázornění amplitud vibrací Výhoda logaritmického měřítka: V logaritmickém vyjádření se pracuje s hladinami a bezrozměrnými jednotkami zvanými decibely dB. Optimální pro zobrazení velkých dynamických rozsahů

Hladiny v dB Decibel (dB) je určen poměrem určité hodnoty k předem stanovené vztažné hodnotě téže veličiny. Aby byla zachována možnost určení absolutních hodnot, vztažná hodnota odpovídající veličiny musí být vždy udána spolu s údajem hladiny v dB. Např.: hladina rychlosti chvění je 85 dB vzhledem k 10-9 m/s.

Parametry vibrací Vybírá se parametr s nejplošším průběhem. To zaručí největší dynamický rozsah celého měření. Pokud spektrum není dostatečně ploché, příspěvky pod hlavní úrovní budou těžko zachytitelné, a případě měření efektivní hodnoty mohou být příspěvky od menších částí zcela nezachyceny.

Integrátor Koncová část měřícího řetězce Konverze signálu do formy, která může být zobrazena na displeji

Výběr časové konstanty Malá časová konstanta integrátoru v některých případech vede k obtížnostem v interpretaci výsledků. Při delší časové konstantě můžou být některé informace ztraceny, např. u signálů obsahující impulzy.

Snímače vibrací Snímače využívají známé fyzikální principy převodu malého posuvu na elektrický signál Pasivní: Indukčnostní Kapacitní Aktivní – využívají přímé přeměny mechanické energie na energii elektrickou Elektrodynamické Piezoelektrické

Indukčnostní akcelerometr Feromagnetická seismická hmota upevněná na dvou plochých pružinách. Změna vzduchové mezery δ mění indukčnost cívek L1 a L2

Kapacitní snímače vibrací Lehké, nižší frekvenční rozsah, jednoduché v provedení i použití Vysoká přesnost (až 10-6 m) Využívá jak změny vzdálenosti elektrod, tak i překrytí ploch rovinných i válcových.

Elektrodynamický snímač chvění Pohybem systému kmitá cívka v poli permanentního magnetu, v cívce se při pohybu indukuje napětí, které je přímo úměrné rychlosti. Vlastní kmitočet elektrodynamických senzorů se pohybuje v rozmezí 5 až 10Hz. Pokud přidáme tlumení (tlumicí závit, uložený pod cívkou) lze dosáhnout frekvence od 1Hz do 3000Hz.

Piezoelektrický akcelerometr Využívá schopnosti piezoelektrických krystalů indukovat napětí v důsledku mechanického namáhání. Pro větší citlivost se používá dvojice piezoelektrických elementů. Vnitřní tlumení piezoelektrického materiálu je velmi malé, lze měřit vibrace až do řádu 3*104 Hz.

Typy piezoelektrických akcelerometrů

Způsoby vibrodiagnostiky Jednorázové měření Slouží k posouzení mechanického stavu zařízení a pro stanovení základních příčin vibrací. Měřením lze získat poznatky pro odstranění vibrací, ale prognóza o budoucím vývoji stavu zařízení je velmi obtížná. Periodické měření Pravidelné měření vibrací s cílem získat informace o vývoji detekovaných stavů. Velmi účinný nástroj metody prediktivní údržby strojů a strojních zařízení. Stabilní monitorování On-line nepřetržité sledování stavu strojního zařízení. Okamžité vyhodnocení provozního stavu strojního zařízení, obvykle použité, jako bezpečnostní monitorování strojů s možností odstavení zařízení, při překročení nastavené poplachové úrovně.

Motor pohánějící pumpu v rafinérii Frekvenční analýza Peak na 155 Hz a následná harmonická aktivita ukazuje na poškozené ložisko motoru.

Po výměně ložiska

Vakuová pumpa Měřena efektivní hodnota

Vakuová pumpa Vyšetření frekvenčního spektra, aktivita okolo 2kHz ukazuje na poškozené ložisko kompresoru.

Vakuová pumpa Vyšetření vibračního spektra ukazuje na nevyváženost.

Závěr Vibrodiagnostika je významným nástrojem moderní metody prediktivní údržby strojů a strojních zařízení. Pomocí vibrodiagnostiky se údržba strojních zařízení plánuje dle skutečného stavu a odpadají mnohdy zbytečné preventivní opravy, což vede k nemalým úsporám náhradních dílů i času potřebného na opravy strojních zařízení. Na pravidelně monitorovaných zařízeních se rovněž prodlužuje perioda odstávek, které je možné plánovat s dostatečným předstihem s tím, že je z výsledků měření zřejmé, jaký uzel bude předmětem oprav. Velký význam při provozním vyvažování (příčinou vibrací je nevývaha) a provozním ustavování (příčin vibrací je nesouosost).