Какво е вибрационен анализ в производството? Ръководство на разбираем английски език

Какво е вибрационен анализ

Всяка въртяща се машина произвежда механични вибрации, когато работи.

Това не е признак за неизправност.

Това е физическо следствие от въртяща се маса, контактни сили в лагерите, взаимодействия между зъбните колела и структурни резонанси, които присъстват във всеки двигател, помпа, вентилатор и скоростна кутия, независимо от тяхното състояние.

Вибрацията, която машината произвежда в добро състояние, има характерна сигнатура - специфично разпределение на амплитудата и честотата, което отразява геометрията, скоростта и натоварването на машината.

Когато започне да се развива повреда – дефект на лагер, проблем със зъбното колело, дисбаланс на вала, несъосност – повредата води до промяна във вибрационната сигнатура.

Лагер с развиващ се дефект на външната състезателна обвивка произвежда удари с определена честота, определена от геометрията на лагера и скоростта на вала, външната състезателна обвивка с честота на преминаване на топката (BPFO), която не е налична във вибрационния сигнал на здравия лагер.

Зъбно колело с развиващ се дефект на зъба произвежда вибрации на честотата на зацепване на зъбното колело и неговите хармоници с характерен модел на амплитудна модулация, който се различава от този на здрава зъбна двойка.

Вал, който е развил дисбаланс, произвежда увеличена амплитуда на вибрациите при скоростта на въртене на вала - основната честота - която не е налице, когато валът е балансиран в рамките на допустимото отклонение.

Анализът на вибрациите е практиката на измерване на тези вибрационни сигнатури, сравняването им със здрави базови стойности и идентифициране на специфичните честоти на повреди, които показват развиващи се режими на повреди - преди тези режими на повреди да прогресират до функционална повреда, която спира производството и изисква авариен ремонт.

Защо вибрационният анализ е важен за производството

Финансовото обяснение за анализа на вибрациите в производствената поддръжка е изградено върху едно-единствено последователно наблюдение.

Появите на повреди в лагерите, най-често срещаният вид повреди на въртящото се оборудване в производството, се развиват в продължение на седмици до месеци по начин, който води до ясни промени във вибрационните характеристики, преди да възникне функционална повреда.

Интервалът PF за типична повреда на търкалящ лагер – времето между първата откриваема вибрационна аномалия и функционалната повреда, която спира машината – е от четири до осем седмици в повечето промишлени приложения.

Производствена операция без мониторинг на вибрациите на критично важното си въртящо се оборудване открива повреди в лагерите, когато лагерът произведе внезапна, силна и спираща производството повреда, която бележи края на този прозорец от четири до осем седмици.

Производствена операция с мониторинг на вибрациите открива развиващата се повреда на лагера в началото на този прозорец и го подменя по време на планиран интервал за поддръжка в рамките на следващите две до три седмици, преди да възникне функционална повреда.

Разликата в резултата между тези два сценария е цялостният аргумент за инвестиране във вибрационен анализ.

В първия сценарий: непланирано спиране на производството от 90 до 240 минути, спешно снабдяване с части, извънреден труд, потенциални вторични повреди на вала и корпуса и реактивен ремонт, който струва три до четири пъти повече от планираната подмяна.

Във втория сценарий: планирана 45-минутна подмяна на лагери по време на производствен прозорец, съобразен с графика, стандартни части от потвърдени складови наличности, редовен труд и липса на вторични повреди.

Умножен по целия парк от критично въртящо се оборудване на производственото съоръжение, обикновено от 50 до 200 двигателя, помпи и скоростни кутии на средно голям производствен обект, анализът на вибрациите предотвратява повреди на лагерите, които колективно представляват значителна част от непланираните престои и разходите за поддръжка.

Физика на измерването на вибрациите

Разбирането на това, което измерва вибрационният анализ, изисква основно разбиране на участващите физични величини – не на инженерна дълбочина, а на ниво, което позволява на специалистите по поддръжка и експлоатация да оценяват вариантите за внедряване и да интерпретират обобщените резултати.

Какво се измерва

Вибрацията се измерва като трептене на физическа структура около нейното положение на покой.

Три физически величини описват това трептене.

Преместването описва колко далеч се измества конструкцията от нейното положение на покой – измерва се в микрометри или хилядни от инча. Измерването на преместването е най-подходящо за нискочестотни вибрации – анализ на орбитата на вала в лагери и оценка на подравняването на машините.

Скоростта описва колко бързо се движи конструкцията – измерва се в милиметри в секунда или инчове в секунда. Измерването на скоростта се използва най-често за обща оценка на състоянието на машините, защото осигурява последователна мярка в широк честотен диапазон.

Ускорението описва колко бързо се променя скоростта – измерва се в метри в секунда на квадрат или в g (кратни на гравитационното ускорение). Измерването на ускорението е най-чувствително към високочестотни вибрации – ударни събития, свързани с дефекти на лагери и дефекти на зъбите на зъбните колела.

Как се измерва

Вибрациите се измерват с помощта на акселерометри - електронни сензори, които преобразуват механичните вибрации в електрически сигнал, пропорционален на ускорението на повърхността, към която са прикрепени.

Пиезоелектричните акселерометри са най-широко използваният тип в индустриалния мониторинг на състоянието, те са здрави, точни в широк честотен диапазон и се предлагат в различни форм-фактори за различни инсталационни изисквания.

Електрическият сигнал от акселерометъра се обработва от устройство за събиране на данни или система за наблюдение, преобразувайки суровия сигнал във времевата област в данни в честотната област чрез математическа трансформация, наречена бързо преобразуване на Фурие (FFT), която разкрива специфичните честоти, присъстващи във вибрационния сигнал.

Как се откриват неизправности

В една здрава машина, честотният спектър на вибрациите съдържа пикове при основните работни честоти - скорост на въртене на вала и неговите хармоници, честоти на зацепване на зъбните колела, честоти на преминаване на лагерите - с амплитуди, характерни за здрава работа.

Когато се развие повреда, в спектъра се появяват нови честотни компоненти – на честотите, специфични за типа повреда – или съществуващите честотни компоненти се увеличават по амплитуда над здравословните си базови нива.

Анализаторът на вибрации идентифицира тези аномални честотни компоненти, сравнява ги с известните сигнатури на честотата на повредите за геометрията на конкретната машина и диагностицира развиващия се тип повреда от модела на аномалните честоти.

Сигнатури на вибрационни повреди: Как изглеждат различните повреди

Всеки тип повреда на въртящо се оборудване създава характерна вибрационна сигнатура - модел на честотни компоненти и амплитудно поведение, който го отличава от други видове повреди и от вибрациите на здрава машина.

Разбирането на тези сигнатури на основно ниво е полезно за специалистите по поддръжка и експлоатация, които оценяват резултатите от вибрационния анализ и комуникират със специалисти.

Дефекти на лагерите

Дефектите на търкалящите лагери произвеждат вибрации със специфични честоти, изчислени от геометрията на лагера - размерите на лагера и броя на търкалящите елементи - умножени по скоростта на вала.

За всеки лагер се изчисляват четири честоти на повреди на лагери.

Външният лагерен пръстен с честота на преминаване на сачмата (BPFO) се възбужда, когато търкалящ елемент докосне дефект на външния лагерен пръстен.

Вътрешният лагерен пръстен с честота на преминаване на сачмата (BPFI) се възбужда, когато търкалящ елемент докосне дефект във вътрешния лагерен пръстен.

Честотата на въртене на топката (BSF) се възбужда, когато има дефект върху самата повърхност на търкалящия елемент.

Основната честота на влака (FTF) се възбужда от дефекти в клетката.

Ранните повреди на лагерите генерират импулси на тези честоти с амплитуди, които са малки спрямо общото ниво на вибрации – което изисква измервания на ускорението и техники за обработка на сигнала, които усилват импулсните компоненти спрямо фоновите вибрации.

С напредването на повредата, амплитудата на честотните компоненти на повредата се увеличава и общото ниво на вибрации се повишава с влошаване на състоянието на лагера.

Дисбаланс

Ротационният дисбаланс произвежда вибрации предимно при скоростта на въртене на вала - основната честота - в радиална посока.

Амплитудата е пропорционална на величината на дисбаланса и се увеличава с квадрата на скоростта на въртене.

Дисбалансът е един от най-често срещаните източници на повишени вибрации във въртящите се машини и един от най-лесните за диагностициране от вибрационния спектър - доминиращ пик на основната честота без съответстващи пикове на хармонични честоти е класическият признак на дисбаланс.

Несъответствие

Несъосността на вала между двигател и помпа, например, произвежда вибрации предимно при скоростта на въртене на вала и неговата втора хармоника - като относителната амплитуда на основната и втората хармоника зависи от това дали несъосността е предимно ъглова, успоредна или комбинирана.

Несъосността също води до повишена аксиална вибрация - вибрация по посока на оста на вала - което помага да се разграничи от дисбаланса, който е предимно радиален.

Неизправности на предавките

Повредите на зъбните колела причиняват вибрации с честотата на зацепване на зъбното колело - скоростта на вала, умножена по броя на зъбите на зъбното колело - и нейните хармоници.

Дефектът на зъба на зъбно колело създава странични ленти около честотата на зацепване на зъбното колело - допълнителни честотни компоненти, разположени на интервали от скоростта на въртене на вала над и под честотата на зацепване - с амплитуди, които се увеличават с напредването на дефекта на зъба.

Диагностицирането на повреди в зъбното колело от вибрационни спектри изисква познаване на геометрията на зъбното колело - по-специално броя на зъбите на всяко зъбно колело - за да се изчислят очакваните честоти на зацепване и да се идентифицират аномални модели на страничните ленти.

Два подхода за внедряване

Анализът на вибрациите се осъществява чрез два фундаментално различни подхода - всеки с различни профили на разходите, различни възможности за откриване и различни подходящи приложения.

Периодично измерване, базирано на маршрут

При измерване, базирано на маршрут, обучен анализатор или техник носи преносим колектор за вибрационни данни до всяка точка на измерване по определен маршрут, събира измервания на вибрациите от всяка точка при всяко посещение и сравнява измерванията с историческите базови стойности и праговете за аларма.

Измерването, базирано на маршрут, е най-широко разпространеният подход за общия парк от ротационно оборудване, то е рентабилно, тъй като един преносим инструмент покрива десетки или стотици точки на измерване, вместо да изисква постоянно инсталиран сензор във всяка точка.

Интервалът на измерване, седмичен, месечен или тримесечен, определя минималния откриваем интервал на PF. Месечният интервал на измерване може да открие повреди с интервали на PF от четири седмици или повече. Той не може да открие повреди, които се развиват и прогресират до функционална повреда между посещенията за измерване.

Измерването, базирано на маршрут, изисква обучен персонал за надеждно събиране на данни – последователна техника на измерване, правилно разположение на сензорите и правилни настройки на инструментите – и или обучени анализатори, или автоматизиран диагностичен софтуер за интерпретиране на резултатите.

Непрекъснато онлайн наблюдение

При онлайн мониторинга, постоянно инсталираните сензори във всяка точка на измерване предават данни за вибрациите непрекъснато към централна система за мониторинг, като откриват преминавания на прагове и промени в тенденциите в реално време, а не между периодични посещения за измерване.

Онлайн мониторингът е най-подходящ за активи с най-висока критичност, където непрекъснатият мониторинг е оправдан от последствията от повредата, активи от ниво 1, чийто отказ спира производството изцяло и чийто интервал на превключване на повреди (PF) е достатъчно кратък, че месечните измервания, базирани на маршрути, може да пропуснат развиващите се повреди.

Цената на онлайн мониторинга, постоянно инсталирани сензори, кабелна или безжична преносна инфраструктура и лицензиране на системата за мониторинг, е значително по-висока от измерването, базирано на маршрут, за всяка точка на мониторинг.

Но за десетте до двадесетте най-критични ротационни актива в производственото съоръжение, стойността на непрекъснатото наблюдение за предотвратяване на производствени загуби обикновено оправдава инвестицията - защото една предотвратена повреда на критичен производствен актив възстановява многократно разходите за сензорна инфраструктура.

Практическото приложение за повечето производствени съоръжения комбинира и двата подхода – онлайн наблюдение на петте до десетте ротиращи актива с най-висока критичност с кратки интервали на превключване на въздушния поток (PF) и наблюдение, базирано на маршрути, за по-широкия парк.

Анализ на вибрациите и реакция при поддръжка

Анализът на вибрациите осигурява пълната си финансова стойност само когато откритите от него повреди се отстраняват чрез планирани интервенции по поддръжката в рамките на оставащия PF интервал.

Това е проблемът с пропастта в действието – времето между откриването на вибрационния анализ и планираната интервенция по поддръжката определя дали откриването предотвратява повредата или просто осигурява по-ранно предупреждение за повреда, която така или иначе се случва.

Програма за анализ на вибрации, която генерира отчети за откриване на повреди, преглеждани на месечна среща за поддръжка, където първо се обсъжда повреда на лагер, открита преди три седмици, и се създава работна поръчка, е изразходвала по-голямата част от интервала на PF в административно забавяне, преди да започне каквото и да е действие по поддръжката.

Програма за анализ на вибрации, която автоматично генерира работна поръчка за поддръжка, когато се премине конфигуриран праг на амплитудата на честотата на повредата – доставяйки работната поръчка до мобилното устройство на отговорния техник с идентификацията на лагера, препоръчителната процедура за подмяна и потвърждението за наличност на частите – действа в рамките на часове след откриване, а не седмици.

Разликата между тези два сценария е връзката между системата за наблюдение на състоянието и системата за изпълнение на поддръжката.

Когато са отделни – платформата за мониторинг на вибрациите в едната система, CMMS в другата – връзката зависи от човешко посредничество, което води до латентност и непоследователност.

Когато те са интегрирани, засичането на вибрации, задействащо автоматично генериране на работни поръчки в една и съща платформа, празнината в действията се елиминира и пълният PF интервал е наличен за планиране и изпълнение, вместо да се изразходва за административна координация.

Тази интеграция – между откриването на мониторинг на състоянието и реакцията при изпълнение на поддръжката – е това, което превръща анализа на вибрациите от скъп инструмент за информиране в истинска програма за предотвратяване на повреди.

Често задавани въпроси

Какво оборудване трябва да се наблюдава с вибрационен анализ?

Приоритетните кандидати за вибрационен анализ са въртящи се съоръжения, които отговарят на три критерия.

Активът е от Ниво 1 или Ниво 2 в класификацията на критичността, неговата повреда води до значителни последици за производството, безопасността или качеството.

Доминиращият режим на повреда произвежда сигнали-предвестници, откриваеми чрез вибрации - износване на лагери, дисбаланс, несъосност и повреди в зъбните колела отговарят на този критерий.

Интервалът PF за доминиращия режим на повреда е достатъчно дълъг за планирана поддръжка, обикновено две седмици или повече за повечето индустриални приложения на лагери.

В типично производствено съоръжение това включва критични помпени двигатели, двигатели за първично задвижване на производствени линии, скоростни кутии на високоскоростно производствено оборудване, вентилатори и компресори в критични за производството ОВК и технологични системи, както и центробежни сепаратори и смесители в технологичното производство.

Колко често трябва да се правят измервания на вибрациите по маршрута?

Честотата на измерване трябва да бъде съобразена с PF интервала на доминиращите режими на отказ за всеки актив.

Режим на повреда на лагер с интервал на PF от четири до шест седмици налага месечно измерване, осигурявайки поне две възможности за измерване в рамките на интервала на PF за откриване на повредата преди функционална повреда.

Режим на повреда на лагер с интервал на PF от осем до дванадесет седмици може да бъде адекватно наблюдаван с тримесечни измервания.

Активи с известни кратки интервали на възстановяване на риска (PF), където историческите повреди са се развивали бързо, изискват по-често измерване или непрекъснато онлайн наблюдение.

Изисква ли се специализиран опит за анализ на вибрациите?

Събирането на данни въз основа на маршрут може да се извършва от техници по поддръжка, обучени в последователна техника на измерване - правилно поставяне на сензорите, правилни настройки на инструментите и последователни условия на измерване.

Анализът на вибрационния спектър и диагностиката на повреди изискват или обучен анализатор на вибрации със сертификат от признат орган, като например Института по вибрации или стандарта ISO 18436-2, или автоматизирана диагностична система, която прилага алгоритми за анализ на честотата на повреди, без да е необходима ръчна интерпретация на спектъра.

Повечето производствени операции започват с автоматизиран диагностичен софтуер, който интерпретира измервания, базирани на маршрути, намалявайки изискването за специализирана експертиза, като същевременно осигурява възможността за откриване на повреди, която предоставя вибрационният анализ.

Всеки лагер в производствено съоръжение има история за разказване в своя вибрационен подпис - седмици преди да разкаже тази история под формата на непланирано спиране на производството. Анализът на вибрациите е практиката да се изслуша тази история достатъчно рано, за да се напише по-добър край.