Вибрационен мониторинг на въртящи механизми

Измервателна техникаСп. Инженеринг ревю - брой 7/2021 • 19.10.2021

  • Целта на мониторинга на състоянието е да се увеличи максимално оставащият полезен живот на въртящите механизми, да се намалят оперативните разходи и да се повиши доходността

  • Регистрирането на вибрациите в машината и генерирането на динамични сигнали, които могат да бъдат анализирани, се извършва чрез сензори за вибрации

  • Оценката на получения от сензорите вибрационен сигнал е сложен процес, който изисква специализирано обучение

 

Средствата за следене на вибрациите в една въртяща се машина имат за цел да изследват тяхното ниво при работа, да ги анализират и въз основа на това да идентифицират зараждащ се проблем в ранна фаза.

От всички налични технологии за следене на изправността на машините, известни като мониторинг на състоянието, мониторингът на вибрациите е един от най-ефективните методи, на който при прогнозиране на нуждата от поддръжка може надеждно да се разчита. Ако ръководството на дадено производство е решило да приложи програма за прогнозна поддръжка за управление на въртящите се активи в предприятието, тогава анализът на вибрациите е задължителен компонент от нея.


Значение на вибрационния мониторинг за механичните системи

Вибрациите представляват повтарящи се движения на една механична система. Всички относително сложни механични системи могат да бъдат моделирани като динамична система от маса и пружина. Ако такава система е механично възбудена например от удар, реакцията ще бъде поне за кратко повтарящо се движение – вибрации. Да вземем например вентилаторен блок на мотор. Когато моторът бъде включен, той ще започне да се върти. Освен че машината ще започне да работи съобразно предназначението, част от енергията ще се преобразува във вибрации в отговор на механичното възбуждане от завъртането на мотора.

Мониторингът на вибрациите е най-разпространената технология за следене на състоянието на машините. Измерването и анализирането на вибрационната реакция на въртяща се машина позволява да се определи нейното динамично поведение; дали са възникнали изменения в нея, особено по отношение на влошаване на нейните работни характеристики; да се направи диагностика на неизправности в машината. Доброто разбиране на всички тези фактори заляга в основата на вибрационния мониторинг на състоянието.

Проучванията показват, че малко над 50% от повредите на електродвигателите се дължат на преждевременни повреди на лагерите. Много от неизправностите на един въртящ механизъм, които могат да бъдат диагностицирани с мониторинг на вибрациите, като дисбаланс, разминаване на осите и механична хлабина, оказват пряко въздействие върху лагерите на мотора. Ако тези неизправности на машината могат да бъдат открити в ранните им етапи, те могат да бъдат коригирани и животът на лагерите може да бъде удължен, като по този начин се спестят оперативни разходи по машината.

Целта на мониторинга на състоянието е да се увеличи максимално оставащият полезен живот на въртящите се активи чрез ранно прогнозиране на проблема, като по този начин се намалят оперативните разходи и се повиши доходността. Казано по друг начин, целта е да се увеличи максимално времето в готовност за работа, като се повиши надеждността на машината. Всяко ротационно оборудване в крайна сметка спира да работи, когато достигне точка на функционална повреда поради естествено износване на компонентите на машината, като лагери например. Но ако възникнат оперативни отклонения, които могат да съкратят полезния живот, може ли операторът да се намеси навреме, за да предотврати неизправностите? Отговорност на оператора на машината е да работи и поддържа машината така, че действителният й експлоатационен живот да се доближи максимално до работните часове, предвидени по спецификация от производителя.

Промяната в състоянието на машината с течение на времето се илюстрира от крива, описваща зависимостта между потенциално възникване на повреда и функционална повреда – P-F (Potential Failure-Functional Failure). В началото кривата е успоредна на оста, тъй като машината работи в напълно изправно състояние. С течение на времето кривата на състоянието започва да спада плавно, като в крайна сметка достига точката на функционална неизправност, където машината не може да изпълнява функцията си по предназначение и нейният експлоатационен живот е към своя край. Потенциалната повреда на машината настъпва много по-рано и спадът от състояние на изправност към функционална невъзможност да оперира е много по-рязък. Времето между потенциална повреда и функционална повреда се нарича P-F интервал.

В такъв случай въпросът, който стои пред оператора, вече е колко своевременно може да бъде открита потенциалната повреда? Ако се установи достатъчно рано, могат да се предприемат действия за удължаване на P-F интервала, като с това ще се удължи и оставащият полезен живот на машината. Това е принципът, който заляга в основата на прогнозната поддръжка.


Технологии и инструменти

Действителното регистриране на вибрациите в машината и генериране на динамични сигнали, които могат да бъдат анализирани, се извършва чрез сензори за вибрации. Има два основни типа сензори за вибрации. Кой от тях е добре да се използва, зависи от типа компонент, който се изследва, например дали се следи състоянието на плъзгащ лагер или търкалящ лагер.

Сензорите за близост с вихротокови преобразуватели измерват изместването на вибрациите пряко, като използват радиочестотен сигнал, за да следят въртящия се механизъм. Не се осъществява контакт между вала и върха на сондата, т.е. те представляват безконтактен сензор. Този тип сензори се прилагат за мониторинг на плъзгащи лагери и инсталирането им е сложно, тъй като корпусът на лагера трябва да се пробие до вала.

Плъзгащите лагери се използват в ограничен, но важен диапазон от ротационни машини, главно в големи турбинни системи и компресори. Валът се върти вътре в самия корпус на лагера, който обикновено е кух цилиндър и има свободно пространство между външния диаметър и вътрешния диаметър на лагера. По този начин много малко от вибрационната енергия на вала се предава към корпуса на лагера. Това е причината сензорът за вибрации на плъзгащия лагер да трябва да следи вала директно, за да се извършва ефективен мониторинг.

Акселерометрите измерват ускорението на вибрационното движение, след което изходният сигнал на сензора се интегрира математически (по електронен път) спрямо скоростта, за да се улесни диагностицирането на проблема в машината.

Измерванията при следене на вибрациите с акселерометрични сензори в повечето случаи се изпълняват чрез вихротокови преобразуватели, които измерват радиалното и аксиалното изместване на вала. Този тип сензори се инсталират лесно, като се изисква само здравото им закрепване към корпуса на въртящия компонент. Практика е и сензорът да се монтира с помощта на крепежен елемент, изискващ пробиване и нарязване на отвор в корпуса на лагера, но без отворът да преминава през корпуса.

Акселерометрите се използват широко в приложения за измерване на вибрациите при търкалящи се лагери. Те се използват при голяма част от въртящите се машини, повечето от които се задвижват от електродвигатели, включително центробежни помпи, вентилатори, компресори и др.

За разлика от плъзгащите лагери, вътрешният пръстен на търкалящия се лагер плътно приляга към вала. Лагерът е плътно свързан с корпуса си, така че вибрационната енергия във вала може надеждно да се засече от акселерометъра. Дефектите в самия лагер (външен пръстен, вътрешен пръстен или търкалящи тела) също се предават на акселерометъра и чрез анализа на вибрациите всяка от тези неизправности може да бъде установена.

Предлаганите на пазара продукти интегрират в себе си сензорите за вибрации, като допълват функциите им в самостоятелно комплексно устройство за мониторинг и анализ на вибрации. Такива разширени възможности включват освен следене на текущия вибрационен сигнал, съхранение и сравнителен анализ на данните спрямо исторически данни и прогнозиране на бъдещи откази, FFT спектрален анализ на вибрациите, измерване на обороти, визуализация на траекторията на въртене на всеки въртящ се компонент от изследваната машина и т.н. За определени приложения може да включват модули за измерване на вибрации в лагерите на въртящи механизми паралелно в две точки чрез два датчика. Възможностите за съхранение на сървър позволяват анализ на състоянието въз основа на натрупана база данни, което дава обстойна картина за изменението в състоянието на съоръжението във времето.


Каква информация носи мониторингът на вибрациите

За да се използват вибрациите като инструмент обаче, те трябва да се опишат в универсален, математически смисъл.
Амплитудата на вибрациите може да бъде изразена като ускорение, скорост или изместване. Обикновено ускорението се изразява в следните мерни единици g pk (пиково) или g ср.кв. (средно квадратичнo). Скоростта се изразява в инчове/секунда (и/с) пикова стойност или и/с ср.кв.

Също така скоростта може да бъде изразена като милиметри/секунда (мм/с пк.) или мм/с ср.кв. Преместването винаги се изразява в единици от пикова точка до пикова точка.

Честотата на вибрационната вълна се изразява в херци (Hz). При работа на въртящи механизми обаче честотата се изразява като обороти в минута (об/мин) 1 Hz = 60 об/мин.

За да се диагностицират някои неизправности на машината, трябва да се изследват две различни форми на вълната. Това позволява да се отчете изместването във времето. Това изместване във времето се нарича фазова разлика и се изразява в градуси. Амплитудата, честотата и фазата са три изключително важни характеристики, които се използват в диагностицирането на неизправности на машините.


Методи за анализ на вибрациите

При оценката на състоянието първата стъпка е нивото на вибрациите да се сравни с исторически данни от предишни събития, като могат да бъдат зададени норми за всеки компонент. Тъй като оценката на вибрационния сигнал е сложен процес, за който се изискват опитни специалисти, сигналът се опростява до информация, която може лесно да се анализира. Най-често използваните методи изследват честотния спектър на сигнала. Характерни честоти отговарят на определени механични компоненти или определени проблеми, като дисбаланс например. Изследването на синхроничността на честотите може да идентифицира вида на проблема, къде се намира той и какво го е причинило. Анализът на честотата или спектралният анализ разчита само един аспект от информацията, която дава вибрационният сигнал. Той намира много удачно приложение именно при машини с въртящи компоненти. Повредите на такива компоненти типично се изразяват в много характерни честоти, зависещи от конструкцията и параметрите им.

Съвременните устройства за анализ на вибрациите функционират на база на бързата трансформация на Фурие, известна като (Fast Fourier Transform) FFT. Тя е специфичен случай на дискретна Фурие трансформация. Това става като вибрационният сигнал се преобразува от състояние на зависима от времето величина в зависима от честотата. FFT е алгоритъм, който позволява разбиването на динамичния сигнал от вибрациите, чиято честотна вълна има сложна форма, в спектралните компоненти на честотата на сигнала.
Детайлите са сложни, но цялостната концепция е проста – сигналът се дигитализира, данните се въвеждат в анализатор и в резултат се генерира графиката на FFT спектъра.

Внимателното изследване на спектралните компоненти на графиката на FFT дава информация за това какви проблеми може да има в машината, например неизправности като дисбаланс на ротора, отклонение от осите на лагерите – всички тези проблеми се описват с уникални спектрални характеристики. Често първата стъпка в диагностицирането на проблем в машината е анализът на динамичния вибрационен сигнал от графиката на FFT.

Оборотите на машината (скоростта на въртене на вала) трябва да бъдат известни, в противен случай ще бъде трудно, ако не и невъзможно, да се проведе диагностика. Ето защо мерната единица по оста, изобразяваща честотата в графиката на FFT, често е изразена в об/мин. Скоростта на движение представлява оборотите, при които работи двигателят, задвижващ машината.

Графичното изобразяване на FFT по този начин улеснява диагностиката на машината, тъй като много неизправности се проявяват в точни честоти, наречени синхронни честоти на грешки. Високото ниво на вибрации, което кореспондира със скоростта на въртене, е най-често причинено от остатъчен дисбаланс, който би се коригирал чрез просто балансиране на машината. Друг типичен пример е увеличаващи се вибрационни сигнали на точно определени честоти, поради забавено въртене на лагер. Неизправностите на лагерите се проявяват при несинхронни честоти. Без да се знае какви са оборотите на вала обаче, би било трудно да се свържат спектралните честоти във FFT диаграмата с всяка една честота на грешка, синхронна или несинхронна.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top