Zamień przestoje w liczbę, na podstawie której zespół może działać.
Poproś o demoKażda maszyna obrotowa wytwarza drgania mechaniczne podczas pracy.
Nie jest to objaw nieprawidłowego działania urządzenia.
Jest to fizyczna konsekwencja wirującej masy, sił styku łożysk, wzajemnych oddziaływań zazębienia kół zębatych i rezonansów strukturalnych, które występują w każdym silniku, pompie, wentylatorze i przekładni, niezależnie od ich stanu.
Wibracje wytwarzane przez sprawną maszynę mają charakterystyczną charakterystykę, konkretną amplitudę i rozkład częstotliwości, które odzwierciedlają geometrię, prędkość i obciążenie maszyny.
Gdy zaczyna rozwijać się usterka, uszkodzenie łożyska, problem z zębami przekładni, niewyważenie wału, brak współosiowości, usterka powoduje zmianę charakterystyki drgań.
Łożysko z rozwijającą się wadą bieżni zewnętrznej wytwarza uderzenia o określonej częstotliwości, zależnej od geometrii łożyska i prędkości wału, częstotliwości przesuwu kulki na bieżni zewnętrznej (BPFO), której nie ma w sygnaturze drgań sprawnego łożyska.
Koło zębate z rozwijającą się wadą zęba wytwarza drgania o częstotliwości zazębienia i jej harmonicznych z charakterystycznym wzorem modulacji amplitudy, który różni się od drgań w przypadku sprawnej pary kół zębatych.
Wał, w którym doszło do niewyważenia, wytwarza zwiększoną amplitudę drgań przy prędkości obrotowej wału, częstotliwości podstawowej, której nie ma, gdy wał jest wyważony w granicach tolerancji.
Analiza wibracji polega na pomiarze sygnatur wibracji, porównywaniu ich ze zdrowymi liniami bazowymi i identyfikowaniu konkretnych częstotliwości usterek, które wskazują na rozwijające się tryby awarii, zanim te tryby awarii przekształcą się w awarię funkcjonalną, która zatrzymuje produkcję i wymaga pilnej naprawy.
Uzasadnienie finansowe dla analizy drgań w utrzymaniu ruchu w zakładzie produkcyjnym opiera się na pojedynczej, spójnej obserwacji.
Awarie łożysk, najczęstsza przyczyna awarii urządzeń obrotowych w produkcji, rozwijają się w ciągu tygodni lub miesięcy, powodując wyraźne zmiany w charakterystyce drgań przed wystąpieniem awarii funkcjonalnej.
Okres PF dla typowej awarii łożyska tocznego, czas między pierwszą wykrytą anomalią drgań a awarią funkcjonalną powodującą zatrzymanie maszyny, wynosi w większości zastosowań przemysłowych od czterech do ośmiu tygodni.
W zakładzie produkcyjnym, w którym nie stosuje się monitoringu drgań w krytycznych urządzeniach obrotowych, awarie łożysk zostają wykryte, gdy łożysko powoduje nagłą, głośną i zatrzymującą produkcję awarię, co oznacza koniec cztero- lub ośmiotygodniowego okresu.
Zakład produkcyjny stosujący monitoring drgań wykrywa rozwijającą się usterkę łożyska na początku tego okresu i wymienia łożysko podczas planowanej konserwacji w ciągu następnych dwóch do trzech tygodni, zanim nastąpi awaria funkcjonalna.
Różnica w wynikach tych dwóch scenariuszy stanowi podstawę inwestycji w analizę drgań.
W pierwszym scenariuszu: nieplanowana przerwa w produkcji trwająca od 90 do 240 minut, pilne zaopatrzenie w części zamienne, nadgodziny, potencjalne wtórne uszkodzenia wału i obudowy oraz doraźna naprawa, która kosztuje trzy do czterech razy więcej niż planowana wymiana.
W drugim scenariuszu: zaplanowana na 45 minut wymiana łożyska w oknie produkcyjnym uwzględnionym w harmonogramie, standardowe części z potwierdzonego stanu magazynowego, standardowa robocizna i brak uszkodzeń wtórnych.
Analiza drgań obejmująca wszystkie najważniejsze urządzenia wirujące w zakładzie produkcyjnym, zwykle od 50 do 200 silników, pomp i przekładni w średniej wielkości zakładzie produkcyjnym, zapobiega awariom łożysk, które łącznie odpowiadają za znaczną część nieplanowanych przestojów i kosztów konserwacji.
Aby zrozumieć, co mierzy analiza drgań, konieczna jest podstawowa wiedza na temat zaangażowanych wielkości fizycznych, nie na poziomie inżynierskim, lecz na poziomie pozwalającym specjalistom ds. konserwacji i eksploatacji oceniać opcje wdrożenia i interpretować podsumowujące wyniki.
Co jest mierzone
Wibracje mierzy się jako drgania konstrukcji fizycznej wokół jej położenia spoczynkowego.
Drgania te opisują trzy wielkości fizyczne.
Przemieszczenie opisuje, jak daleko konstrukcja przesuwa się od położenia spoczynkowego – mierzonego w mikrometrach lub tysięcznych cala. Pomiar przemieszczenia jest najbardziej istotny w przypadku drgań o niskiej częstotliwości – analizy orbity wału w łożyskach ślizgowych i oceny ustawienia maszyn.
Prędkość opisuje, jak szybko porusza się konstrukcja – mierzoną w milimetrach na sekundę lub calach na sekundę. Pomiar prędkości jest najczęściej wykorzystywany do ogólnej oceny stanu maszyny, ponieważ zapewnia spójny pomiar w szerokim zakresie częstotliwości.
Przyspieszenie opisuje, jak szybko zmienia się prędkość – mierzona w metrach na sekundę kwadratową lub w g (wielokrotnościach przyspieszenia grawitacyjnego). Pomiar przyspieszenia jest najbardziej czuły na drgania o wysokiej częstotliwości – zdarzenia uderzeniowe związane z defektami łożysk i ubytkami zębów przekładni.
Jak to się mierzy
Pomiaru drgań dokonuje się za pomocą akcelerometrów, czujników elektronicznych, które zamieniają drgania mechaniczne na sygnał elektryczny proporcjonalny do przyspieszenia powierzchni, do której są przymocowane.
Akcelerometry piezoelektryczne są najpopularniejszym typem urządzeń do monitorowania warunków przemysłowych, są wytrzymałe, dokładne w szerokim zakresie częstotliwości i dostępne w różnych formatach, aby spełnić różne wymagania instalacyjne.
Sygnał elektryczny z akcelerometru jest przetwarzany przez kolektor danych lub system monitorujący, zamieniający surowy sygnał w domenie czasu na dane w domenie częstotliwości za pomocą transformacji matematycznej zwanej szybką transformatą Fouriera (FFT), która ujawnia konkretne częstotliwości obecne w sygnaturze drgań.
Jak wykrywane są usterki
W sprawnej maszynie widmo częstotliwości drgań zawiera piki przy podstawowych częstotliwościach roboczych, prędkości obrotowej wału i jej harmonicznych, częstotliwościach zazębienia, częstotliwościach przejść łożysk, o amplitudach charakterystycznych dla sprawnej pracy.
Gdy rozwija się usterka, w widmie pojawiają się nowe składowe częstotliwości, o częstotliwościach charakterystycznych dla danego typu usterki, lub istniejące składowe częstotliwości zwiększają swoją amplitudę powyżej swoich zdrowych poziomów bazowych.
Analityk drgań identyfikuje te anomalie częstotliwości, porównuje je ze znanymi sygnaturami częstotliwości usterek dla konkretnej geometrii maszyny i diagnozuje rozwijający się typ usterki na podstawie wzoru anomalii częstotliwości.
Każdy typ usterki urządzenia obrotowego generuje charakterystyczny ślad drgań, wzór składowych częstotliwości i zachowań amplitudy, który odróżnia go od innych typów usterek i od prawidłowych drgań maszyny.
Zrozumienie tych sygnatur na podstawowym poziomie jest przydatne dla profesjonalistów zajmujących się konserwacją i eksploatacją, którzy oceniają wyniki analizy drgań i komunikują się ze specjalistami.
Wady łożysk
Uszkodzenia łożysk tocznych powodują drgania o określonych częstotliwościach, które oblicza się na podstawie geometrii łożyska, wymiarów łożyska i liczby elementów tocznych, pomnożonych przez prędkość wału.
Dla każdego łożyska obliczane są cztery częstotliwości uszkodzeń łożysk.
BPFO (zewnętrzna bieżnia łożyska o częstotliwości przesuwu kulki) zostaje wzbudzona, gdy element toczny styka się z defektem na zewnętrznej bieżni łożyska.
Częstotliwość przesuwu kulki wewnątrz bieżni łożyska (BPFI) ulega wzbudzeniu, gdy element toczny styka się z defektem na wewnętrznej bieżni łożyska.
Częstotliwość wirowania kuli (BSF) wzrasta, gdy na powierzchni elementu tocznego pojawi się defekt.
Podstawowa częstotliwość pociągu (FTF) jest wzbudzana przez defekty klatkowe.
Wczesne uszkodzenia łożysk generują impulsy o częstotliwościach, których amplitudy są niewielkie w porównaniu do ogólnego poziomu drgań. Wymaga to pomiarów przyspieszenia i technik przetwarzania sygnałów, które wzmacniają składowe impulsowe w stosunku do drgań tła.
W miarę postępu uszkodzenia amplituda składowych częstotliwości uszkodzenia wzrasta, a ogólny poziom drgań wzrasta ze względu na pogarszanie się stanu łożyska.
Brak równowagi
Niewyważenie obrotowe wytwarza drgania głównie przy prędkości obrotowej wału, częstotliwości podstawowej, w kierunku promieniowym.
Amplituda jest proporcjonalna do wielkości niewyważenia i wzrasta proporcjonalnie do kwadratu prędkości obrotowej.
Brak równowagi jest jednym z najczęstszych źródeł podwyższonych drgań w maszynach obrotowych i jednym z najłatwiejszych do zdiagnozowania na podstawie widma drgań, dominujący szczyt przy częstotliwości podstawowej bez odpowiadających mu szczytów przy częstotliwościach harmonicznych jest klasycznym sygnałem braku równowagi.
Niewspółosiowość
Na przykład niewspółosiowość wału między silnikiem a pompą powoduje drgania głównie przy prędkości obrotowej wału i jego drugiej harmonicznej, przy czym względna amplituda częstotliwości podstawowej i drugiej harmonicznej zależy od tego, czy niewspółosiowość jest przede wszystkim kątowa, równoległa czy mieszana.
Niewspółosiowość powoduje również podwyższone drgania osiowe, drgania w kierunku osi wału, co pomaga odróżnić je od braku równowagi, który ma głównie charakter promieniowy.
Usterki przekładni
Uszkodzenia przekładni powodują drgania o częstotliwości zazębienia, iloczynu prędkości wału i liczby zębów przekładni, oraz jej harmonicznych.
Wada zęba koła zębatego powoduje powstawanie pasm bocznych wokół częstotliwości zazębienia, dodatkowych składowych częstotliwości rozmieszczonych w odstępach odpowiadających prędkościom obrotowym wału powyżej i poniżej częstotliwości zazębienia, o amplitudach zwiększających się w miarę postępu wady zęba.
Diagnostyka usterek przekładni na podstawie widm drgań wymaga znajomości geometrii przekładni, szczególnie liczby zębów każdego koła, w celu obliczenia oczekiwanych częstotliwości zazębienia i identyfikacji anomalii wzorców wstęg bocznych.
Analiza drgań odbywa się za pomocą dwóch zasadniczo różnych podejść, z których każde charakteryzuje się innymi profilami kosztów, innymi możliwościami wykrywania i innymi odpowiednimi zastosowaniami.
Okresowy pomiar oparty na trasie
W przypadku pomiarów opartych na trasie przeszkolony analityk lub technik zabiera ze sobą przenośne urządzenie do zbierania danych o drganiach do każdego punktu pomiarowego na określonej trasie, zbierając pomiary drgań z każdego punktu podczas każdej wizyty i porównując je z historycznymi wartościami bazowymi i progami alarmowymi.
Pomiar oparty na trasach to najszerzej stosowane podejście do ogólnej floty urządzeń obrotowych, jest opłacalny, ponieważ jeden przenośny przyrząd obejmuje dziesiątki lub setki punktów pomiarowych, zamiast konieczności stałego montażu czujnika w każdym punkcie.
Interwał pomiaru – tygodniowy, miesięczny lub kwartalny – określa minimalny wykrywalny interwał PF. Miesięczny interwał pomiaru pozwala wykryć usterki z interwałami PF wynoszącymi cztery tygodnie lub dłużej.
Nie pozwala on na wykrycie usterek, które rozwijają się i prowadzą do awarii funkcjonalnej między wizytami pomiarowymi.
Pomiary oparte na trasach wymagają przeszkolonego personelu, który będzie w stanie wiarygodnie zbierać dane, stosując spójną technikę pomiaru, prawidłowo rozmieszczając czujniki i ustawiając właściwe urządzenia, a także przeszkolonych analityków lub zautomatyzowanego oprogramowania diagnostycznego, które zinterpretuje wyniki.
Ciągły monitoring online
W przypadku monitorowania online czujniki zamontowane na stałe w każdym punkcie pomiarowym nieustannie przesyłają dane dotyczące drgań do centralnego systemu monitorowania, wykrywając przekroczenia progów i zmiany trendów w czasie rzeczywistym, a nie pomiędzy okresowymi wizytami pomiarowymi.
Monitorowanie online jest najbardziej odpowiednie w przypadku zasobów o najwyższym stopniu krytyczności, w przypadku których ciągły monitoring jest uzasadniony skutkami awarii, zasobów pierwszego poziomu, których awaria całkowicie zatrzymuje produkcję, a których interwał PF jest na tyle krótki, że miesięczny pomiar oparty na trasie mógłby nie wykryć rozwijających się usterek.
Koszt monitorowania on-line, trwale zainstalowanych czujników, okablowania lub infrastruktury transmisji bezprzewodowej oraz licencjonowania systemu monitorowania, jest znacznie wyższy niż koszt pomiaru opartego na trasie dla każdego punktu monitorowania.
Jednak w przypadku dziesięciu do dwudziestu najważniejszych ruchomych zasobów w zakładzie produkcyjnym wartość zapobiegania stratom produkcyjnym dzięki ciągłemu monitorowaniu zazwyczaj uzasadnia inwestycję, ponieważ pojedyncza zapobiegnięta awaria krytycznego zasobu produkcyjnego wielokrotnie zwraca koszt infrastruktury czujników.
Praktyczne wdrożenie w większości zakładów produkcyjnych łączy oba podejścia, monitorowanie online pięciu do dziesięciu najbardziej krytycznych aktywów obrotowych z krótkimi odstępami czasu między przeglądami oraz monitorowanie oparte na trasach dla szerszej floty.
Analiza drgań przynosi pełną wartość finansową tylko wtedy, gdy wykryte przez nią usterki zostaną usunięte w ramach planowych interwencji konserwacyjnych w pozostałym okresie eksploatacji.
To właśnie jest problem luki w działaniu, czas pomiędzy wykryciem awarii w wyniku analizy drgań a planowaną interwencją konserwacyjną decyduje o tym, czy wykrycie zapobiegnie awarii, czy też po prostu zapewni wcześniejsze ostrzeżenie o awarii, która i tak wystąpi.
Program analizy drgań, który generuje raporty z wykrywania usterek, analizowane na miesięcznym spotkaniu konserwacyjnym, gdzie najpierw omawiana jest usterka łożyska wykryta trzy tygodnie temu i tworzone jest zlecenie robocze, pochłonął większość interwału PF na opóźnienie administracyjne przed rozpoczęciem jakichkolwiek działań konserwacyjnych.
Program do analizy drgań, który automatycznie generuje zlecenie naprawy po przekroczeniu skonfigurowanego progu amplitudy częstotliwości błędu, przesyłając zlecenie naprawy na urządzenie mobilne odpowiedzialnego technika wraz z identyfikacją łożyska, zalecaną procedurą wymiany i potwierdzeniem dostępności części, działa w ciągu kilku godzin od wykrycia usterki, a nie tygodni.
Różnica pomiędzy tymi dwoma scenariuszami polega na połączeniu systemu monitorowania stanu z systemem realizacji konserwacji.
Gdy są one rozdzielone, platforma monitorująca drgania w jednym systemie, a system CMMS w innym, połączenie zależy od pośrednictwa człowieka, co wprowadza opóźnienia i niespójność.
Gdy są zintegrowane, wykrywanie drgań uruchamia automatyczne generowanie zleceń roboczych na tej samej platformie, luka w działaniu zostaje wyeliminowana, a cały interwał PF jest dostępny do planowania i realizacji, zamiast być wykorzystywany do koordynacji administracyjnej.
Ta integracja, wykrywania stanu i reakcji na działania konserwacyjne, sprawia, że analiza drgań z kosztownego narzędzia zwiększającego świadomość staje się prawdziwym programem zapobiegania awariom.
Jaki sprzęt należy monitorować za pomocą analizy drgań?
Priorytetowymi kandydatami do analizy drgań są urządzenia obrotowe spełniające trzy kryteria.
Aktywa spełniają kryteria poziomu 1 lub 2 w klasyfikacji krytyczności, ich awaria powoduje istotne konsekwencje dla produkcji, bezpieczeństwa lub jakości.
Dominujący tryb awarii generuje wykrywalne za pomocą wibracji sygnały poprzedzające, zużycie łożysk, niewyważenie, niewspółosiowość i awarie przekładni spełniają wszystkie te kryteria.
Interwał PF dla dominującego typu awarii jest wystarczająco długi, aby umożliwić zaplanowaną konserwację, zwykle dwa tygodnie lub dłużej w przypadku większości zastosowań łożysk przemysłowych.
W typowym zakładzie produkcyjnym obejmują one silniki pomp o krytycznym znaczeniu, silniki napędowe na liniach produkcyjnych, przekładnie w szybkich urządzeniach produkcyjnych, wentylatory i sprężarki w systemach HVAC i procesowych o krytycznym znaczeniu dla produkcji oraz separatory odśrodkowe i mieszalniki w produkcji procesowej.
Jak często należy wykonywać pomiary drgań na trasie przejazdu?
Częstotliwość pomiarów powinna być dostosowana do interwału PF dominujących trybów awarii dla każdego zasobu.
Tryb awarii łożyska z interwałem PF wynoszącym od czterech do sześciu tygodni uzasadnia comiesięczny pomiar, zapewniający co najmniej dwie możliwości pomiaru w interwale PF w celu wykrycia usterki przed awarią funkcjonalną.
Tryb awarii łożyska z interwałem PF wynoszącym od ośmiu do dwunastu tygodni można odpowiednio monitorować, wykonując kwartalne pomiary.
Aktywa o znanych krótkich odstępach PF, w przypadku których historycznie awarie postępowały szybko, wymagają częstszych pomiarów lub ciągłego monitorowania online.
Czy analiza drgań wymaga specjalistycznej wiedzy?
Zbieranie danych na podstawie tras może być wykonywane przez techników ds. konserwacji przeszkolonych w zakresie spójnej techniki pomiarowej, prawidłowego rozmieszczenia czujników, prawidłowych ustawień instrumentów i spójnych warunków pomiaru.
Do analizy widma drgań i diagnostyki usterek potrzebny jest przeszkolony analityk drgań posiadający certyfikat uznanej instytucji, takiej jak Vibration Institute lub norma ISO 18436-2, albo zautomatyzowany system diagnostyczny stosujący algorytmy analizy częstotliwości drgań bez konieczności ręcznej interpretacji widma.
Większość operacji produkcyjnych rozpoczyna się od zautomatyzowanego oprogramowania diagnostycznego, które interpretuje pomiary oparte na trasach, zmniejszając tym samym wymagania dotyczące specjalistycznej wiedzy, a jednocześnie zapewniając możliwość wykrywania błędów, jaką zapewnia analiza drgań.
Każde łożysko w zakładzie produkcyjnym ma swoją historię do opowiedzenia w swojej charakterystyce drgań – na tygodnie przed tym, zanim opowie ją w formie nieplanowanego zatrzymania produkcji. Analiza drgań to praktyka wsłuchiwania się w tę historię wystarczająco wcześnie, aby napisać lepsze zakończenie.
Zobacz, jak Fabrico łączy OEE i utrzymanie ruchu w jednej platformie.
Umów demo
Zaloguj
Blog
