Diagnostika strojů:Snadno a rychle pomocí FFT analýzy

Téma Strana1. Úvod ......................................................................................................... 22. Spektrum vibrací odvětrávacího ventilátoru .............................................. 43. Sledování stavu strojů ............................................................................... 64. Úroveň 1 / 2 - strategie monitorování stavu ............................................. 85. Klasifikace mohutnosti vibrací podle ISO norem ..................................... 106. Možné poruchy elektromotoru ............................................................... 127. Nevyváženost / nesouosost ..................................................................... 148. Asymetrie pole statoru ........................................................................... 169. Asymetrie pole rotoru ............................................................................. 1810. Vibrační diagnostika: nevyváženost rotující části .................................. 2011. Vibrační diagnostika: nesouosost hřídelů .............................................. 2212. Vibrační diagnostika: asymetrie pole .................................................... 2413. Vibrační diagnostika: uvolněné části ..................................................... 2614. Parametry pro posuzování valivých ložisek ........................................... 2815. Normalizované měření rázových pulzů ................................................. 3016. Diagnostika valivých ložisek: obálková analýza ..................................... 3217. Diagnostika valivých ložisek: poškození vnitřního kroužku ................... 34

Obsah

1. Úvod

Obsah této brožury vychází z přednáškových skript M. Luft,PRÜFTECHNIK AG. © Copyright 1998 PRÜFTECHNIK AG.

Všechna práva vyhrazena.

A samozřejmě, samotná vibrační diagnostika jefantastický prostředek pro lokalizaci poruch azjištění jejich příčin a současně také prostředekproti neoprávněnému uplatňování záruky.

Vydání srpen 2010

Objednací číslo VIB 9.619CZ

Monitorování vibrací a vibrační diagnostikastrojů a zařízení získaly v posledních letechmimořádný význam. Protože jsou cenově do-stupné přístroje na měření vibrací, monitorujíse také střední i malé stroje. Tím se vytvořilypodmínky pro jejich hospodárné využití.V posledních letech stoupá zájem o úspěšnénasazení vibrační diagnostiky také v oblastielektrických strojů a ručního nářadí. Na jednéstraně požaduje provozovatel při instalacinového nebo opraveného zařízení protokoly ovibracích. Na druhé straně se nabízímonitorování vibrací a vibrační diagnostikajako doplňková servisní služba, kdy předevšímmalý provozovatel si nemůže nebo nechceopatřit vlastní měřící techniku.

4

2. Spektrum vibrací odvětrávacího ventilátoru

Jednoduchý příklad ukazuje možnosti, kterénabízí a umožňuje analýza vibrací:Pohon ventilátoru byl kvůli velikým vibracímodstaven. Protože na elektromotoru bylanaměřena vysoká úroveň vibrací, hledaly sepříčiny u elektromotoru. Analýzou vibrací sezjistilo, že vysoká úroveň vibrací (15,2 mm/s)na elektromotoru je způsobena přenosemvibrací (s frekvencí 13,67 Hz) od nevyváženéřemenice instalované na hřídeli ventilátoru.Tyto vibrace se přenáší přes řemenový převod aocelovou konstrukci. Po vyvážení řemenice seúroveň vibrací na elektromotoru snížila napřijatelnou hodnotu 3,2 mm/s a na ložiskuventilátoru na 2,3 mm/s.

Toto je typický příklad využívání poznatků změření a analýzy vibrací. Měření úrovně vibracíumožňuje hodnotit stav stroje na “Dobrý”,“Přijatelný”, “Nepřijatelný” a “Nepřípustný”.V případě zvýšení úrovně vibrací je nutnépomocí FFT analýzy lokalizovat poškození aurčit jeho příčinu.

5

Odvětrávací ventilátor (P = 37 kW)

Motor: 1475 /min. = 24.58 Hz Ventilátor: 820 /min. = 13.67 Hz

15.2 mm/s

11.3 mm/s

Ložisko ventilátoru, měřeno v radiálnímsměru ve vertikální rovině

fvert = 13.67 Hz

fvert = 13.67 Hz

Ložisko elektromotoru, měřeno v radiálnímsměru ve vertikální rovině

2. analýza signálu

FFT - spektrum vibrací

Spektrum vibrací odvětrávacího ventilátoru

1. měření úrovně vibrací

Mohutnost vibrací, měřeno naložisku ve vertikální rovině

6

3. Sledování stavu strojů

Základem pro efektivní a úspěšné sledovánístavu strojů je měření vhodných veličin aparametrů souvisejících se stavem stroje. Tatoměření je nutné provádět v delším časovémúseku a zaznamenávat naměřené hodnoty dografu - trendu. Z tohoto grafu je jednoduchépoznat, zda nedošlo k překročení hranicepásma “Upozornění” nebo “Alarmu”. Připřekročení této hranice, detailní vibračnídiagnostika zjistí příčiny zvýšení vibrací a pakmohou být vhodně uplatněna opatření údržby.Následně budou uvedeny příkladymonitorování a analýzy vibrací elektromotorů.

7

Události - postup

- Trend parametrů

- Poplach při překročení hranice pásma

- Referenční spektrum (dobrý stav)

- Po překročení upozornění nebo alarmu: podrobná diagnostika/analýza na místě

Sledování stavu strojů

Offline spektrumDobrý stav

SpektrumUpozornění

Offline analýza signálu podrobnádiagnostika/analýza na místě

Alarm

Upozornění

Parametrvibrací

Čas

SpektrumAlarm

8

Monitorování stavu strojů lze provádětzaznamenáváním vhodných parametrů, kterépopisují celkový stav stroje. Trend těchtoparametrů ukazuje na zhoršování stavu stroje,tzn. začínající poškození.Takový druh měření celkových vibrací jenazýván jako „Úroveň 1" a je zobrazen naobrázku vpravo. Takto lze monitorovat velkémnožství strojů při relativně nízkých nákladechna měřící techniku a nárocích na personál.Pro přesnou lokalizaci poruch ovšem měření“Úrovně 1” nestačí. K tomu je nutné blížeanalyzovat obraz vibrací stroje. Většina druhůpoškození vystupuje ve spektru jako poruchovéfrekvence, popřípadě s typickou strukturoufrekvencí.

4. Úroveň 1 / 2 - strategie monitorování stavu

Vibrační diagnostika - „Úroveň 2" - vyžadujeanalýzu signálu vibrací pomocí FFT analyzátorua především školený personál se zkušenostmi sinterpretací spekter vibrací.

9

10

8

6

4

2

00 500 1000 1500

amm/s2

veffmm/s

èas

10

8

6

4

2

0

f (Hz)

Úroveň 1 / 2 - strategie monitorování stavu

Úroveň 1: Monitorování parametrů - trend- celkový stav- delší časový úsek- zaškolený personál

Úroveň 2: Vibrační diagnostika po překročení

hranic pásem- konkrétní případ- jedinné měření v určitém čase- pouze odborníci

Monitorování strojezatížení vibracemi

stav valivých ložisek

Parametrymohutnost vibrací (popř. výchylka, zrychlení…)rázové pulzy k posouzení stavu valivých ložisekteplotaRPM - počet otáček za minutukavitace

Lokalizace závad pomocí spektraNevyvážený rotor, nesouosost, poškození ozubení,turbulence, vadné magnet. pole, diagnostika ložisek,

atd.

Analýza signáluamplitudové spektrumspektrum obálkyčasový signálřádová analýza/Bodeův diagramcepstrum

10

5. Klasifikace mohutnosti vibrací podle ISO norem

Norma ČSN ISO 10816-3 jevelmi důležitá pro provoznítechniky pro účely vyhodno-cování vibrací strojníhozařízení.Část 3 této normy, která jerelevantní pro monitorovánístavu strojů, byla přepracová-na. Skupiny 3 a 4 části 3,které se týkaly čerpadel, bylyvypuštěny. Místo toho bylanorma rozšířena o část 7 –jmenovitě ČSN ISO 10816-7.Tato nová část pojednává vý-hradně o vibracích odstředi-vých čerpadel.Nová ČSN ISO 10816-7 jeúčinná od srpna 2009.

11

Klasifikace mohutnosti vibrací podle ISO norem

12

6. Možné poruchy elektromotoru

Obrázek vpravo dává přehled možných poruchu elektromotoru. Tyto poruchy se dají zjistit zespekter vibrací, protože každá porucha má svémísto ve spektru a její závažnost je dánavelikostí příslušné složky vibrací odpovídajícíporuchové frekvenci.Pro některé poruchy existují typická spektravibrací, která jsou popsána v následujícíchkapitolách.

13

Poškození ložisek

Poškození rotoru Poškození statoru

Poškození spojky

Možné poruchy motoru

14

7. Nevyváženost / nesouosost

Pod pojmem nevyváženost se rozumí výstřednérozložení hmoty rotoru vzhledem k ose rotace.Nevyváženost je stav, při kterém se dynamickésíly nebo pohyby vzniklé v rotoru přenášejí naložiska rotoru a působí jako setrvačné síly. Vespektru se objeví vibrační složka s frekvencíodpovídající otáčkám rotoru. Velikost vibračnísložky odpovídá velikosti nevyváženosti. Stavelektromotoru se může z důvodunevyváženosti podstatně zhoršit. Vyváženídemontovaného rotoru motoru navyvažovačce nebo provozní vyváženípředstavuje korekci rozložení hmoty rotoru scílem zabezpečit, aby zbytkový nevývažeknebo vibrace v ložiskách se pohybovaly vpřípustných mezích. Odkaz na přípustnézbytkové nevývažky tuhých rotorů obsahujenorma3

.U pohonů se spojkou způsobuje zvýšeníúrovně vibrací také nesouosost hřídelů. Tatozávada se projeví ve spektru vibrační složkou ofrekvenci odpovídající dvojnásobku otáček.

Převažuje-li radiální přesazení, potom tatosložka je nejvýraznější při měření ve směrukolmém k ose hřídele. Převažuje-li naprotitomu axiální přesazení (úhlové vybočení), pakse ukazuje závada především ve spektru zaxiálního směru měření. K odstraněnínesouososti hřídelů doporučují výrobcielektrických strojů a zařízení používat modernílaserové systémy jako např. OPTALING® PLUS.Doporučení pro tolerance ustavení jsou m.j. vnávodech k obsluze těchto systémů4.

3 ISO 3945Mechanical vibration of large rotating machines with speedrange from 10 to 200 rev/s; Measurement and evaluation ofvibration severity in situ, 12/1985

4 OPTALIGN® PLUSNávod k obsluze a příručka pro ustavování PRŰFTECHNIK AG,Ismaning.

15

Nevyváženost

Amplituda fn příliš velká

Otáčková frekvence fn = otáčky (n)/60Norma pro hodnocení: ISO 2372, ISO/DIS 10816-3

Nesouosost

Dvojnásobek otáčkové frekvence 2fn

Radiálně: radiální přesazeníAxiálně: axiální přesazení(vybočení)

f (Hz)fn2fn

mm/s

f (Hz)

mm/s

fn

Nevyváženost / nesouosost

16

8. Asymetrické pole statoru

Asymetrie pole u elektromotorů může býtzpůsobena závadou na statoru nebo rotoru(kotvě). Nejčastější závady jsou:

• zkrat svazku statorových plechů po styku srotorem

• excentrická poloha rotoru (kotvy)• nesymetrické vinutí• nesymetrické napětí v síti

Při poruchách pole statoru se nachází vespektru vibrací zvýšená úroveň dvojnásobkufrekvence sítě bez postranních pásem.

17

2fSí•

Je patrný dvojnásobek frekvence sítě 2fSíť

Frekvence sítě fSíť = 50 HzVýjimka: motory napájené stejnosměrným proudem

Žádná postranní pásma kolem 2fSíť

2-pólové strojeDvojnásobek otáčkové frekvence leží těsně pod 2fSíť

99.0 101.0f (Hz)fn

mm/s

f (Hz)2fn 2fSí•

mm/s

Příčiny:

- spečení železa / zkrat svazku plechů statoru- excentrická poloha kotvy- nesymetrické napětí v síti- nesymetrické vinutí

Asymetrie pole statoru

18

9. Asymetrie pole rotoru

Asymetrie rotoru bývá způsobena:• poškozením rotorových tyčí (lom, trhlina,

uvolněné tyče)• zkratovanými prstenci (lom, trhlina)• zkratem rotorových plechů z důvodu

pokroucení• zkratem kotvy rotoru (např. přetížením za

vysokých otáček)

Tyto závady jsou zjistitelné ve spektru vibracíjako:• frekvence tyčí s postranními pásmy• frekvence sítě s postranními pásmy

frekvence skluzu

Odstranění je možné pouze výměnoukompletního rotoru.

19

Frekvence tyčí ftyč s postranními pásmy s odstupem 2fSíť

Frekvence tyčí ftyč = fn x ntyčfn: otáčková frekvencentyč: počet tyčí v rotoru

Frekvence sítě: fSíť = 50 Hz

Přiblížení na 2fSíť : Jsou zřetelná postranní pásmas osdtupem fskluz

Frekvence skluzu fskluz = 2fSíť/p - fnp: Počet pólů statoru

99.0 101.0 f (Hz)2fn 2fSí•

(100 Hz)

mm/s

ftyè f (Hz)fn 2fSí•

mm/s

Příčiny

- lom tyče- trhlina v tyči- uvolněná tyč

Asymetrie pole rotoru

20

10. Vibrační diagnostika: nevyváženost rotující části

Ve spektru vibrací se ukáže typický projevnevyváženosti - složka vibrací při otáčkovéfrekvenci.Podle hodnot mohutnosti kmitání - změřenýchna elektromotoru a převodovce v různýchměřicích bodech - se pozná, že zdroj buzenívibrací leží v blízkosti spojky. Provozní vyváženíbrzdového kotouče v jedné rovině snížilomohutnost vibrací na elektromotoru na3,5 mm/s a na převodovce na 3,1 mm/s.

21

Převodovka pásového dopravníkuP = 600 kWn = 996 ot/min (fn = 16.6 Hz)

Mohutnost vibrací Motor PřevodovkaA, RH v mm/s 3.1 -A, RV 7.8 9.2A, AX 5.3 6.2B, RH 4.4 -B, RV 6.8 -

Nález: Nevyvážený brzdový kotouč

Převodovka, ložisko u spojky, vertikální rovina Převodovka, ložisko u spojky, axiální rovina

PřevodovkaBrzdaMotor

fn = 16.6 Hz (nevyváženost)

fn = 16.6 Hz (nevyváženost)

Vibrační diagnostika: nevyváženost rotující části

22

11. Vibrační diagnostika: nesouosost hřídelů

Je-li ve frekvenčním spektru vibrací zřetelnásložka s dvojnásobnou otáčkovou frekvencí,jedná se o nesouosé ustavení hřídelů. Poodstranění této závady (nesouososti) zmizísložka vibrací (špička) s dvojnásobnouotáčkovou frekvencí. Ve spektru zůstává složkaodpovídající nevyváženosti, která se odstraníprovozním vyvážením jak je vysvětleno vpředchozí kapitole.

23

Generátor vodní turbínyP = 55 kWn = 1000 ot/min (fn = 16.67 Hz)

Mohutnost vibrací Generátor Převodovka

Lož. u spojky, RH 9.5 1.5 mm/sLož. u spojky, RV 4.1 -Lož. u spojky, AX 4.4 -

Přesazení ve vertikální rovině před po ustavení

Axiál (na 170 mm) 0.42 mm - 0.02 mmRadiál 0.44 mm 0.05 mm

Nález: Nesouosost hřídelů

Generátor, ložisko u spojky, před ustavením Po ustavení

fGen

2fGen. Ţ nesouosostfGen.

2fGen. = dobrá souosost

PřevodovkaGenerátor

Vibrační diagnostika: nesouosost hřídelů

24

12. Vibrační diagnostika: asymetrie pole

Motor byl odstaven z důvodu zvýšenémohutnosti vibrací, která přetrvávala i podemontáži spojky. Neobvykle velká špička nadvojnásobku frekvence sítě dávala tušitpoškození statoru. Nález ukázal spečení železana svazku plechů statoru, tedy místo zkratustatorových plechů. Motor musel být vyměněn.

25

Motor ventilátoru v ocelárněP = 250 kWn = 2999 ot/min (fn = 50 Hz)

Mohutnost vibrací

Lož. u spojky, RH 4.8 mm/s

Nález: Spečení plechů statoru

Motor, ložisko u spojky, měřeno ve směruradiálním v horizontální rovině

Přiblížení, žádná postranní pásma na 100 Hz

2fNetz

Asymetrie pole

2fNetz

Asymetrie pole

Motor Ventilátor

Vibrační diagnostika: asymetrie pole

26

13. Vibrační diagnostika: uvolněné části

Elektromotor u pohonu lisu byl z důvoduzvýšené mohutnosti vibrací a neobvykléhohluku odstaven. Hluk se den ode dne výraznězvětšoval. Ve spektru vibrací se objevilaneobvyklá skutečnost. Složka vibrací sotáčkovou frekvencí není hnedle vidět, zatozcela zřetelné jsou složky odpovídajícínásobkům otáčkové frekvence. Tyto příznakyzůstaly nezměněny, i když byl odstraněn hnacířemen. Zdrojem vibrací byla uvolněnářemenice na hřídeli elektromotoru. Problém sevyřešil přesoustružením hřídele avypouzdřením řemenice.

27

Motor ventilátoru v ocelárněP = 200 kWMotor: 1486 ot/min = 24.77 Hz

Mohutnost vibrací

Motor, lož. u spojky 6.9 mm/sMotor, lož. od spojky 7.1 mm/s

Nález: Volná řemenice na hřídelielektromotoru

Motor, lož. u spojky, před opravou Po opravě

fMotor = 24.77 Hz

Setrvačník

Řemenový pohon

fMotor = 24.77 Hz

Vibrační diagnostika: uvolněné části

28

14. Parametry pro posuzování valivých ložisek

Platí pravidlo, že úroveň opotřebení ložiskanelze zjistit ze zvýšení vibrací o nízkýchfrekvencích, dokud není stupeň opotřebenídostatečně vysoký. Důvod je v tom, že kdyžvalivý element ložiska přechází přespoškozenou část, vznikne rázový pulz, který lzedetekovat pouze v rozsahu vysokých frekvencí.To je důvod, proč byly pro monitorovánívalivých ložisek vyvinuty speciálnícharakteristické hodnoty. Dosud neexistuježádná mezinárodně platná norma a proto sepoužívají různé metody k hodnocení stavuvalivých ložisek. Popíšeme si nejznámějšípoužívané parametry.

Před 25 lety se začala v Německu používatmetoda rázových pulzů. Je to snadnopoužitelná a spolehlivá metoda, která na rozdílod ostatních používá dva parametry. Jeden znich je “maximální hodnota” dBm kteráindikuje míru rázů a je vhodná pro zjištěnípočátečního poškození ložiska. Druhá je tzv.

“kobercová hodnota” dBc, která představujezákladní hladinu šumu ložiska a zvyšuje sepředevším při problémech s mazáním ložiska, sjeho opotřebením, nedostatečnou vůlí nebo přinesprávné instalaci ložiska.

Jednou z typických vlastností všechcharakteristických parametrů je jejich závislostna veličinách jako jsou např. velikost ložiska ajeho otáčky, tlumení signálu, zatížení ložiska ajeho mazání. Tím pádem je prakticky vždynutné mít k dispozici srovnávací měření nadobrém ložisku anebo provést normalizovanéměření vzhledem k vhodnému vzoru.

29

Rázové pulsy

K(t) metoda

Spike Energie

BCU hodnota

Curtosis faktor

GSE faktor

SEE faktor

Crest faktor

Spolehlivé vyhodnocení stavu valivého ložiska vyžaduje(bez ohledu na použitý parametr):

Počáteční hodnoty? Tolerance?

?

Míru nárůstu v čase?

?

Parametry pro posuzování valivých ložisek

30

15. Normalizované měření rázových pulzů

Na obrázku je znázorněn postup, který přinormalizovaném měření používají přístrojefirmy PRÜFTECHNIK, aby se vyrovnal vlivrozdílů v otáčkách a velikosti ložisek.Počátečníhodnota a tím i normalizovaná počátečníhodnota dBia se určí pomocí srovnávacíhoměření na dobrém ložisku. Tím se získásrovnávací hladina pro měření maximálníhodnoty rázových pulzů dBm a kobercovéhodnoty dBc. Tento postup umožňuje měřenírůzných ložisek s různými provozními otáčkamia naměřené výsledky mezi sebou porovnat.Není nutné pro každý měřicí bod provéstindividuální nastavení.

31

Normalizované měření rázových pulzů

Nenormalizované měření - rázových pulzů

Špičková hodnota dBm rázových pulzů a kobercováhodnota dBc jako absolutní hodnoty v dBsv

Normalizované měření - rázových pulzů

Maximální hodnota dBm rázových pulzů a kobercováhodnota dBc jako relativní hodnoty v dBsv , vztažené khodnotě dBia

Individuální nastavení prahových hodnot pro každýměřicí bod

dBM

dBC

Normalizace

dBM

dBC

dBia

Alarm

Upozornění

Alarm

Upozornění

dBndBsv

0

0

Hodnota dBia v sobě zahrnuje faktory jako otáčky, tlumenísignálu a zatížení ložiskaRůzné prahové hodnoty se vztahují k téže dBia , takže jelze použít ve všech měřících místech.

32

16. Diagnostika valivých ložisek: obálková analýza

Podobně jako frekvenční spektrum se používák analýze vibrací strojů, tak se provádípodrobná analýza stavu valivého ložiskapomocí tzv. “obálkové analýzy”.

Na obrázku je znázorněn postup obálkovéanalýzy, která začíná odfiltrováním vhodnéhorozsahu frekvencí, který obsahuje signálvysílaný ložiskem při jeho činnosti. Tato složkasignálu se prozkoumá, jestli obsahuje pulzyvznikající při přechodu valivého elementuložiska přes poškozené místo. Demodulací sezíská křivka “obalující” křivku signálu. Pokudčasový úsek mezi dvěma špičkami v obálcesouhlasí s některou z charakteristickýchporuchových frekvencí ložiska, lze odpovídajícíčást považovat za poškozenou.Tento postup poskytuje velice přesnou

diagnózu poškození valivých ložisek a to itehdy, pokud je signál ložiska překrýván jinýmsignálem od dalších částí stroje nebo od jinýchstrojů a zařízení. Vyžaduje však znalostgeometrických dat ložiska jako jsou jehoprůměr, počet a průměr valivých elementůložiska, kontaktní úhel a provozní otáčky.

33

Časový signál Časový signál

Ta

fa 2fa atd. f (Hz)f (Hz)

Poruchová frekvence fa = 1/Ta

Poškozené ložiskoNepoškozené ložisko

a, mm/s2

Obálka

Obálka

Spektrum obálky

t (s)t (s)

Spektrum obálky

Diagnostika valivých ložisek: obálková analýza

a, mm/s2

a, mm/s2a, mm/s2

34

17. Diagnostika valivých ložisek: poškození vnitřního kroužku

Vyobrazení ukazuje příklad pokročiléhopoškození vnitřního kroužku. Silně zvýšenáhodnota rázového pulzu, obzvláště vzestupšpičkové hodnoty dBm z 18 na 48 dB,poukazuje na vážné poškození valivéholožiska. Obálková analýza ukazuje v obálkovémspektru typický obraz zřetelného poškozenívnitřního kroužku. Nález po výměně ložiskapotom potvrdil tuto domněnku. Jedna z obouoběžných drah kroužků vykazuje již známkypoškození s plochou cca 15 × 15 mm.

35

fi: Poruchová frekvence vnitřního kroužku Vnitřní kroužek nepoškozen

Ložisko A Ložisko BSpektrum obálky Spektrum obálky

Odsávací ventilátor lakovnyP = 110 kWMotor: 1307 ot/min. = 21.78 HzVentilátor: 908 ot/min. = 35.75 Hz

Typ ložisek: naklápěcí ložiska 22218

měření rázových pulsů dBm dBc

Ložisko A 48 29 dBSVLožisko B 18 7 dBSV

Nález: Silné poškození vnitřního kroužku u ložiska A

poškození vnitřního kroužku

A B

Diagnostika valivých ložisek: poškození vnitřního kroužku

36

Zastoupení pro ČR a SR:

LAMI KAPPA, spol. s r.o.Vladislavova 3142CZ-41501 TepliceTel: +420 417 534 542-3Fax: +420 417 534 544eMail: info@lamikappa.czwww.lamikappa.cz

PRÜFTECHNIK AGOskar-Messter-Str. 19-2185737 Ismaning, GermanyTel.: +49 89 99616-0Fax: +49 89 99616-300eMail: info@pruftechnik.comwww.pruftechnik.com

Technika pro produktivní údržbu

A member of the PRÜFTECHNIK Group