Вибрационен анализ

• Универсалността на вибрационния анализ го прави полезна методология за широк диапазон от индустриални сектори и видове оборудване
  
  
• Чрез измерване и анализиране на вибрациите на машините техниците получават по-добра представа за състоянието и експлоатационните параметри на оборудването
  
  
• Успешният анализ изисква от специалистите да имат разбиране за специфичните честоти, свързвани с различни механични проблеми

Вибрационният анализ (или вибрационен мониторинг) е мощен диагностичен инструмент за идентифициране, наблюдение и предотвратяване на механични повреди в машини, извършващи ротационно и възвратно-постъпателно движение. Той е ключов компонент на програмите за прогнозна поддръжка, като позволява на техниците да откриват развиващи се проблеми в оборудването, преди те да са довели до скъпоструващ непланиран престой или катастрофални повреди.

Вибрационният анализ – компонент на системите за мониторинг на състоянието, използва вибрационни сензори за измерване на честотите в активите и регистриране на отклонения, които биха могли да са индикатор за проблем. По своята същност вибрационният анализ е изследването на трептенията на машините и техните компоненти около определена точка на равновесие. Тези вибрации могат да бъдат резултат от няколко проблема, включително разбалансиране, несъосност, разхлабване, изкривени валове, дефектни лагери и др.

Чрез измерване и анализиране на вибрациите на машините техниците получават по-добра представа за състоянието и експлоатационните параметри на оборудването, което им дава възможност да установят наличието на проблеми и да предприемат корективни действия. Тъй като компонентите, извършващи ротационно и възвратно-постъпателно движение (например двигатели, компресори, помпи), обикновено вибрират по-интензивно и по-шумно със стареенето им, анализирането на измененията във вибрациите може да помогне на мениджърите по поддръжка в следенето на състоянието на машините в реално време и в проактивното идентифициране на износването и повредите на активите.

Накратко за вибрациите

Вибрациите са многоизмерни, поради което измерването им изисква познаването на различни параметри. Основните показатели са амплитуда, честота и фаза.
Амплитудата се отнася до величината на вибрациите, обикновено измервана в единици на изместване (милиметри или микрометри), скорост (милиметри в секунда) или ускорение. Честотата измерва броя на трептенията за единица време (Hz), а фазата се отнася до относителното синхронизиране на формата на вълната на вибрация (градуси). Анализаторите на вибрации могат да използват тези параметри за идентифициране на специфични неизправности на машините и за оценяване на тяхната тежест.

Има два основни вида вибрации – принудителни и естествени. Принудителните се появяват, когато към една система се приложи външна сила, принуждаваща я да вибрира. Пример са вибрациите, генерирани от двигател или помпа. Естествените вибрации, познати като резонанс, се появяват, когато една система вибрира с естествената си честота. Този вид вибрации може да бъде проблемен, ако естествената честота на машината съвпадне с работната честота, което може да доведе до прекомерни вибрации.

Основни причини за вибрации

Разбалансирането на една машина създава “тежест”, която при въртене упражнява сила. Това е една от най-честите причини за проблеми с вибрации. При вентилаторите разбалансирането може да бъде в резултат на натрупване на мръсотия по лопатките или заради повредена лопатка. Разбалансирането може да доведе до много други дефекти, свързани с вибрациите, поради прекомерната сила, упражнявана върху някои компоненти, например лагери.

Наличието на несъосност създава изкривяване между два вала. При въртенето на валовете това отново води до упражняване на сила върху машината. Несъосността често е резултат от неправилно асемблиране, неравни подове, топлинно разширение и др.
Когато възникне дефект с лагерите, вибрации обикновено се проявяват във високочестотния обхват до 10 kHz. С влошаване на неизправността, вибрациите започват да се проявяват при по-ниски честоти, които могат да бъдат регистрирани чрез мониторинг на скоростта на въртене на машината и честотата на неизправност за всеки един от лагерните компоненти.

Разхлабването често се дължи на прекомерно големи лагерни хлабини, разхлабени болтове, непасващи си части и пукнатини в структурата. То може да причини вибрации както в ротационно, така и в не въртящо се оборудване.

Провеждане на вибрационен анализ

Гарантирането на безпроблемно функциониране и дълготрайност на машините е приоритет в съвременната конкурентна индустриална действителност. Следвайки стъпките на процеса на вибрационен анализ, компаниите могат да използват машинните вибрации за добиване на по-добра представа за оборудването и състоянието на системите.

Провеждането на вибрационен анализ започва със събиране на данни за оборудването и/или структурата, която ще се анализира. Необходимо е да се определят местоположението и видът на сензорите, които ще са нужни за измерванията на вибрациите, включително обхватът на амплитудата и честотата, тъй като сензорите ще служат като устройства за събиране на данни по време на процеса. Важно е също да се събере информация за работните условия на оборудването, като скорост, натоварване и температура.

Измерване на вибрациите

Следващата стъпка в процеса е да се измерят вибрациите, генерирани от съответната машина. Вибрационният анализ обикновено включва измерване на амплитудата на даден актив или система.

В този случай за извършване на измерванията се използва акселерометър, прикрепен към ключови точки на вибрации. Акселерометрите използват високочестотни реакции за измерване на ускорението на вибриращия обект в три направления – нагоре и надолу, странично и отпред назад.

Вибрациите могат да се измерят и със сензори за скорост и сензори за разстояние. Датчиците за скорост измерват скоростта на един вибриращ обект, предлагайки средночестотна реакция, идеална за следене на общото състояние на машината. Сензорите за разстояние, от друга страна, измерват изместването на вибриращия обект, предоставяйки нискочестотна реакция, подходяща за засичане на структурни проблеми и дисбаланси.

Анализиране на данните

След като са събрани всички необходими данни, е време те да бъдат анализирани. Етапът на анализ изисква използването на алгоритми и софтуер за идентифициране на вибрационни модели и тенденции в данните, както и сравняването на данните с установени стандарти и насоки.

Екипите по поддръжка могат да използват разнообразие от техники за анализиране на данните за вибрациите. Провеждането на времеви анализ изисква анализирането на суровия вибрационен сигнал с времето. Техниците могат да извлекат и оценят данни (пикова амплитуда, коефициент на амплитудата, ъглово изместване, средноквадратично отклонение и др.) на сигнала директно от времевата му форма. Тази техника е полезна за регистриране на преходни феномени, като удари.

Честотният анализ, използващ бързо преобразуване на Фурие (FFT), включва преобразуване на времевия сигнал в честотен. Полученият честотен спектър дава възможност за по-лесно идентифициране на специфични честоти, свързани с механични неизправности.

Амплитудната демодулация се използва предимно за детекция на дефекти в лагери на ранен етап. Тя включва извличане на високочестотните сигнали, генерирани от повредени лагери, от общия вибрационен сигнал, което позволява на техниците да засекат наличието и степента на неизправност на лагерите.
Модалният анализ е по-усъвършенствана техника, която се фокусира върху идентифициране на естествените честоти, моделите на вибрация при тези честоти и демпфериращите характеристики на една машина. Изследването на тези свойства помага на анализаторите да оценят динамичното поведение на една машина и да идентифицират потенциални структурни проблеми и/или резонансни условия.

Интерпретиране на резултатите

Успешният анализ изисква от специалистите да имат разбиране за специфичните честоти, свързвани с различни механични проблеми.
Основната честота е тази, при която въртящият се компонент извършва една пълна ротация. Отклоненията от основната честота могат да спомогнат за идентифициране на специфични неизправности, като разбалансиране, несъосност и разхлабване. Честотата на хармоничните съставки често се свързва с проблеми със зъбното зацепване или други циклични събития.

Страничната лента е резултатът от модулирането на основната честота от друга честота, например при взаимодействието на неизправност при лагерите и честотата на въртящия се компонент. Страничните ленти често се появяват като симетрични пикове около основната честота или хармоничните й съставки и могат да са индикатор за проблеми с лагерите и/или за счупени зъби на зъбни колела.

Предприемане на корективни действия

След идентифициране на потенциалните проблеми в етапа на интерпретация трябва да се зададат алармени прагове, които предизвикват реакция, когато вибрациите ги надвишат. Тези прагове могат да бъдат базирани на индустриални стандарти, исторически данни или препоръки на производителя. Най-разпространените алармени прагове са абсолютните, праговете, задаващи тенденции, и статистическите прагове.

Абсолютните прагове са фиксирани стойности, базирани на приемливи нива на вибрации за специфични типове оборудване. Праговете, задаващи тенденции, са динамични стойности, които се променят с времето спрямо историческите експлоатационни параметри на оборудването. Когато нивата на вибрации се повишат внезапно, това може да е индикатор за възникващ проблем. Статистическите прагове се извеждат от статистическия анализ на исторически данни, като се отчитат средното и стандартното отклонение от нивата на вибрации.

Ползи от вибрационния анализ

Внедряването на вибрационен анализ като част от програма за прогнозна поддръжка предлага многобройни ползи.
Вибрационният анализ може да засече възникващи проблеми в машините много преди те да могат да бъдат видени или чути от персонала. Тези възможности за ранна детекция могат да помогнат на екипите по поддръжка да насрочват ремонтни дейности или подмяна на компонентите преди да е възникнала неизправност, което редуцира престоите и подобрява общата производителност.

Чрез идентифициране на степента на неизправностите на машината вибрационният анализ позволява на екипите по поддръжка да приоритизират усилията си и да разпределят ресурсите си по-ефективно. Този целенасочен подход може да доведе до значителни спестявания на разходи и подобрена надеждност на оборудването.

Откриването и отстраняването на неизправности в машините преди те да доведат до катастрофални последствия може да помогне на организациите да избегнат скъпоструващи ремонти или подмяна на оборудване. В допълнение, прогнозната поддръжка, базирана на вибрационен анализ, може да удължи експлоатационния живот на машините, редуцирайки още дългосрочните капиталови разходи.

Вибрационният анализ може да изиграе съществена роля за поддържането на безопасна работна среда за служителите. Проактивната детекция и справяне с потенциални механични неизправности значително намалява риска от инциденти и наранявания на работното място.
Неизправните машини често консумират повече енергия, отколкото трябва, което води до повишени оперативни разходи. Отстраняването на проблемите с помощта вибрационен анализ помага на компаниите да оптимизират ефективността на активите и да редуцират енергопотреблението им.

Приложения на вибрационния анализ

Универсалността на вибрационния анализ го прави полезна методология за широк диапазон от индустриални сектори и видове оборудване.
Производствените предприятия използват вибрационен анализ за следене на състоянието на двигатели (включително електродвигатели), редуктори, конвейери и металообработващи машини. Данните за вибрациите могат да се използват за оптимизиране на производствени процеси, редуциране на риска от възникване на неизправности в оборудването и подобряване на общата ефективност на предприятието.

В автомобилостроенето вибрационният анализ играе съществена роля при проектирането, разработката и тестването на компоненти. Анализирането на вибрационните характеристики на двигатели, трансмисии и системи на окачване може да помогне на инженерите да оптимизират дизайните си с цел подобряване на представянето и надеждността им при реално приложение, както и за увеличаване на комфорта на пътниците.

В авиокосмическата индустрия вибрационният анализ дава възможност на инженерите да идентифицират и решат проблеми, като прекомерни вибрации, резонанс или умора на материалите, с оглед подобряване на надеждността и дълготрайността на авиационните системи.

В сектора на вятърната енергия вибрационният анализ подпомага операторите в мониторинга на състоянието на турбините с цел да се регистрира разбалансиране на лопатките, неизправности на редукторите и/или дефекти на лагерите.