Vibrodiagnostika

1. Vibrodiagnostika Kateřina Jandová

2. 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.

3. Rozdělení signálů • Stacionární signál má střední hodnotu a rozptyl konstantní • Deterministické signályje 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

4. 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

5. 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.

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

7. 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.

8. Měřící řetězec • Snímač vibrací – předzesilovač – pásmové filtry – integrátor – výstup

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Šířkapásma 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

13. 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.

14. 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.

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

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

17. 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

18. 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.

19. 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.

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

21. 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.

22. 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

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

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. Typy piezoelektrických akcelerometrů

28. 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.

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

30. Po výměně ložiska

31. Vakuová pumpa • Měřena efektivní hodnota

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

33. Vakuová pumpa • Vyšetření vibračního spektra ukazuje na nevyváženost.

34. 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).