Technická diagnostika vibrodiagnostika Ing. Daniel Plonka Kat. 340, VŠB-TU Ostrava Ostrava 2014 Projekt „Další cesty a formy zvyšování vzdělávání, kvalifikace a dovedností studentů a zaměstnanců podniků s cílem vyššího uplatnění se na trhu práce“ je spolufinancovaný z Evropské unie v rámci fondu pro regionální rozvoj

Náplň kurzu: Postavení technické diagnostiky v údržbě Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Měření vibrací - základní pojmy a metody Vibrace a FFT analýza FFT spektra a charakteristické závady

Postavení technické diagnostiky v údržbě Technická diagnostika: Technická diagnostika je obor, využívající specifické metody pro zjišťování skutečného technického stavu strojních zařízení. Každý stroj během svého provozu vysílá do okolí signály, které vypovídají o jeho technickém stavu (vibrace, teplota, hluk, aj.). Tyto signály lze vhodnými metodami technické diagnostiky analyzovat a tím odhalit skryté závady stroje.

Postavení technické diagnostiky v údržbě Typy údržby:

Postavení technické diagnostiky v údržbě Vývoj údržby: I. Generace údržby – oprava po poruše II. Generace údržby – plánovaná preventivní údržba Vyšší pohotovost Větší životnost Nižší náklady III. Generace údržby – TPM (Total Productive Maintenance) Vyšší spolehlivost a pohotovost Vysoká bezpečnost Delší životnost zařízení Vyšší efektivnost nákladů Nepoškozování environmentu

Postavení technické diagnostiky v údržbě Filozofie TPM: Žádné prostoje, nulová zmetkovitost, žádné úrazy. Spolehlivost = bezpečnost = efektivita = produktivnost = zisk

Postavení technické diagnostiky v údržbě Prediktivní (proaktivní) údržba: Využívá moderních nástrojů technické diagnostiky (vibrodiagnostika, termodiagnostika, tribologie, ...) ke zjištění objektivního technického stavu strojního zařízení. Základní úkoly diagnózy Detekce - Dlouhodobé sledování stroje za účelem odhalení příznaků počínajícího zhoršení stavu zařízení. Lokalizace – na základě analýzy dat je určeno místo poruchy a poškozená součást. Specifikace – určení příčiny poškození součásti (proaktivní údržba). Predikce – určení zbytkové životnosti za účelem plánování a řízení údržby

Postavení technické diagnostiky v údržbě Prediktivní (proaktivní) údržba: Výhody: Plánování odstávek na základě objektivního stavu stroje Lze zabránit rozsáhlému poškození strojů Zkrácení doby opravy na minimum Rozsah prací, zajištění náhradních dílů a přípravků lze připravit před opravou Stroje v dobrém stavu se neopravují a mohou dále vyrábět Ekonomické přínosy: Úspora nákladů na pravidelné revize Zamezení ztrát vlivem nečekaných odstávek výrobního zařízení Snížení nákladů na skladování náhradních dílů

Postavení technické diagnostiky v údržbě Cíl technické diagnostiky: Monitorovat technický stav stroje, zabránit havárii stroje, vhodně plánovat potřebné opravy.

Vibrační diagnostika charakteristika vibrací

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Vibrodiagnostika je bezdemontážní nedestruktivní diagnostika rotačních strojů (umožňuje posoudit stav stroje za provozu). Jedna z hlavních metod technické diagnostiky sloužící k identifikaci technického stavu točivých strojů pomocí analýzy vibrací. Typy vibrační diagnostiky OFF – line (pochůzkové měření) ON – line (kontinuální sledování)

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Vibrace – kmitání Kmitání je opakující se pohyb tělesa kolem své referenční polohy. V případě harmonického pohybu lze signál popsat pouze jednou frekvencí o určité amplitudě. Typy signálů:

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Každý stroj během provozu vibruje Vibrace jsou odezva na budící síly generované strojem Budící síly rotoru stroje Záběry ozubení - rázy Náhodné síly (kavitace, turbolence) Třecí síly Analýzou vibrací (FFT) dokážeme určit zdroj těchto sil a tím lokalizovat a specifikovat poškozenou část stroje

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Základní veličiny popisující kmitavý pohyb: Vlastní úhlová frekvence [rad/sec]: Výchylka kmitání: Ω - vlastní úhlová frekvence xa - amplituda harmonického kmitání k - tuhost pružiny Ω - vlastní úhlová frekvence m - hmotnost tělesa ϕ – počáteční fáze (dán počáteční výchylkou) c - tlumení

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Základní veličiny popisující Frekvence [Hz]: f = ω / 2 π = 1 / T Hz – počet cyklů za sekundu ω – úhlová frekvence T – perioda (doba trvání jednoho opakování periodického děje) kmitavý pohyb: Význam frekvence: Je určena budící silou Nemá význam pro detekci závady Slouží k analýze příčiny vibrací Význam amplitudy: Udává jak moc se stroj chvěje Lze vyjádřit - výchylkou - rychlostí - zrychlením

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Popis časového signálu PEAK = špičková hodnota PEAK - PEAK = rozkmit efektivní hodnota = RMS (Root Mean Square) = 0,707 × amplituda střední hodnota = 0,637 × amplituda rozkmit (velikost špička-špička) = 2 × amplituda

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Měřené veličiny: Zrychlení - vypovídá o energii v zařízení, poukazuje na vysokofrekvenční děje [m/s2 ; g] Rychlost - pro nízkodynamické děje související přímo s chováním zařízení (únavové procesy) [mm/s] Výchylka - posun [µm]

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Fáze: definice: Časový posun (90° ACC, VEL, DIS) Ukazuje, jak stroj kmitá (PTK) Zpoždění kmitání (např. vynucené kmity - zpoždění výchylky za budící silou) Význam ve vibrodiagnostice: Rozdíl fází - mezi dvěma různými body na stroji nebo ve stejném bodě při různých provozních podmínkách. Doplňková metoda vibrační diagnostiky pro komplexní analýzu (nesouosost, nevyváženost, ohnutý hřídel, ...)

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací PTK (zviditelnění kmitů):

Vibrační diagnostika - charakteristika vibrací Rozdíl fází - uvolnění:

Měření vibrací základní pojmy a metody

Měření vibrací - základní pojmy a metody Absolutní – relativní vibrace Absolutní vibrace - vibrace nerotujících částí (vibrace rotoru vůči nehybné soustavě) Relativní vibrace - vibrace hřídele vůči statorové části

Měření vibrací - základní pojmy a metody Piezoakcelerometry – snímače vibrací Akcelerometr je snímač zrychlení vibrací Vychází z principu II. Newtonova zákona (F=m.a) Měří časový průběh zrychlení kolem rovnovážné polohy Hodnotí zrychlení jako výsledek setrvačných sil působících na seizmickou hmotu, která stlačuje piezokrystalický výbrus. Vzniklý náboj je úměrný působící síle, která je úměrná zrychlení.

Měření vibrací - základní pojmy a metody Piezoakcelerometry – snímače vibrací Vlastní frekvence cca 60kHz – použitelná frekvence do 30kHz (1/3 FREZ) dle druhu uchycení (každý typ uchycení dále snižuje použitelný frekvenční rozsah). Je potřeba nábojový zesilovač. Nevhodný na měření velmi nízkých frekvencí (nevzniká dostatečný náboj z důvodu malé setrvačná síly). Akcelerometry rozlišujeme na kompresní a střižné (smykové). Střižné jsou citlivější. Citlivost je udávána v mV/g.

Měření vibrací - základní pojmy a metody Metody připevnění akcelerometrů Pevný šroub – žádné snížení rezonance Přilepení tuhým lepidle – mírné snížení rezonanční fr. cca 28 kHz Přilepení měkkým epoxidem – snížení rezonanční fr. na cca 8 kHz Připevnění permanentním magnetem – snížení rezonanční fr. na cca 7 kHz Ruční sonda se snímačem – snížení rezonanční fr. asi na 2 kHz, metoda není doporučená pro měření nad 1 kHz

Měření vibrací - základní pojmy a metody Volba měřících míst dle ČSN ISO 10816 – 1: Měřícím bodem je myšleno místo, které se nachází co nejblíže ložiska. Počet měřících bodů odpovídá počtu ložisek na daném strojním zařízení. Měření každého bodu probíhá ve třech vzájemně kolmých směrech (horizontální, vertikální a axiální směr).

Měření vibrací - základní pojmy a metody Značení měřících míst:

Měření vibrací - základní pojmy a metody Hodnocení stavu stroje: Stav stroje je hodnocen dle příslušné normy, hodnotí se efektivní hodnota rychlostí vibrací (RMS) v pásmu 10-1000 Hz uváděné v mm/s Příklady: Stroje střední velikosti se jmenovitým výkonem nad 15kW až do 300kW včetně (ČSN ISO 10816-3, Skupina 2) Ventilátory radiální / axiální (ČSN 12 2011) Obráběcí centra (ČSN 20 0065)

Měření vibrací - základní pojmy a metody

Vibrace a FFT analýza

Vibrace a FFT analýza Analýza stavu stroje: Pro analýzu frekvenčního spektra je nutné znát základní technické parametry stroje. Otáčky diagnostikovaného stroje. Technické parametry (ložiska, parametry ozubení převodovek, parametry řemenových převodů, parametry elektromotorů, počty lopatek ventilátorů, ...). Pro komplexní analýzu se využívá měření fáze (specifikace nevývahy, nesouososti, ...) Vhodné jsou záznamy referenčních frekvenčních spekter pro možnost porovnání a záznam celkových hodnot za časový úsek – trend.

Vibrace a FFT analýza Podmínky a metodika měření: Provádět měření na stejných měřících místech. Nastavit potřebné parametry měření: frekvenční rozsah (0 až fmax, případně zoom fmin až fmax) počet spektrálních čar (dostatečný frekvenční krok) počet průměrování typ průměrování okénkovou funkci překrytí Měřit při provozních otáčkách pro zajištění opakovatelnosti měření – měření za stále stejných podmínek.

Vibrace a FFT analýza Nejčastější závady zvyšující vibrace Nesouosost spojek, převodů Křivě nasazená ložiska Nevyváženost rotorů Mechanické uvolnění Poškození valivých ložisek Opotřebení převodů Zadírání Hydraulické a aerodynamické problémy Elektrické závady motorů Excentricita rotující části - kladky a ozubená kola

Vibrace a FFT analýza FFT (Rychlá Fourierova transformace):

Vibrace a FFT analýza Dynamická nevyváženost (kombinace silové a momentové): vibrace v horizontálním směru bývají větší něž ve vertikálním směru dominantní je amplituda RPM v radiálním směru velká nevyváženost může zapříčinit nelinearitu a přítomnost 2xRPM amplitudy RPM nejsou ve fázi

Vibrace a FFT analýza Nevývaha z praxe – excentricita oběžného kola:

Vibrace a FFT analýza Nevývaha z praxe: Výměna ložisek

Vibrace a FFT analýza Nevývaha z praxe – převislý rotor:

Vibrace a FFT analýza Nesouosost kombinovaná: velké vibrace v axiálním směru u spojky dominantní je amplituda RPM, 2xRPM a také 3xRPM amplitudy RPM v protifázi

Vibrace a FFT analýza Nesouosost z praxe:

Vibrace a FFT analýza Prohnutá hřídel: Fáze vibrací v axiálním směru na různých místech ložiska je shodná Rozdíl fáze vibrací na protilehlých ložiskách je větší než 90° (vlivem jiných efektů není přesně 180°) Axiální vibrace převyšují 50% radiálních vibrací

Vibrace a FFT analýza Uvolnění: Volné kotvící šrouby, trhliny v nosné konstrukci nebo ložiskovém tělese, zvýšené ložiskové vůle. vibrace v radiálním směru dominantní je amplituda RPM, harmonické a subharmonické neustálená fáze

Vibrace a FFT analýza Uvolnění z praxe:

Vibrace a FFT analýza Problémy převodovek: Zatížení ozubených kol Opotřebení / excentricita zubů Nesouosost ozubených kol Příklad ulomeného zubu (rázy za 1x RPM)

Vibrace a FFT analýza Elektroproblémy: Excentricita rotoru (proměnná vzduchová mezera) Excentricita statoru (zkratované plechy) Prasklé rotorové tyče

Vibrace a FFT analýza Rezonance: Jsou-li otáčky rotoru blízké některé z jeho vlastních frekvencí, nastává jev zvaný rezonance. Rozdíl fáze mezi horizontálním a vertikálním měřením max. 30%. Také malá budicí síla může mít na konstrukci destruktivní vliv.

Vibrace a FFT analýza Rezonance v praxi:

Vibrace a FFT analýza Rezonance v praxi – Bump test:

Vibrace a FFT analýza Poškození valivých ložisek – 4 stádia: Fáze 1

Vibrace a FFT analýza Vady valivých ložisek – obálková metoda:

Vibrace a FFT analýza Obálka – poruchové frekvence ložisek: Vnější kroužek Vnitřní kroužek Valivá tělíska Klec

Vibrace a FFT analýza Poškozené ložisko – spektrum obálky:

Vibrace a FFT analýza Poškozené ložisko – trend obálky:

Vibrace a FFT analýza Poškozené ložisko – kaskáda obálky:

Vibrace a FFT analýza Poškozené ložisko – rychlost vibrací:

Vibrace a FFT analýza Poškozené ložisko – prasklá klec:

Vibrace a FFT analýza Prasklý náboj KM matice:

Vibrace a FFT analýza Detekce poškození ložisek po provedené opravě elektromotoru:

Vibrace a FFT analýza Detekce poškození ložisek po provedené opravě elektromotoru: Detekce 1

Vibrace a FFT analýza Detekce poškození ložisek po provedené opravě elektromotoru: Detekce 2

Vibrace a FFT analýza Detekce poškození ložisek po provedené opravě elektromotoru: Detekce 3

Děkuji za pozornost