Vibrodiagnostika jako nástroj pro diagnostiku poruch strojních zařízení

Jaroslav HRUBÝ

Klíčová slova

Vibrodiagnostika, dynamická, strojní zařízení, mechanické kmitání

Úvod

V současné době, kdy tzv. ,,prim" hraje ekonomičnost provozu různých druhů strojních zařízení, se uplatňují specifické druhy diagnostiky.  Ty mají za úkol optimalizovat životnost (udržitelnost původních nebo téměř původních vlastností v čase)  těchto zařízení tak, aby v průběhu jejich technického života nedocházelo k jejich poruchám a tím vznikajícím a nežádoucím prostojům. V obecném slova smyslu jde o to, aby zařízení v průběhu jeho technického života bylo spolehlivé, čili adekvátně plnilo svou funkci.

Prostoje jako takové mají negativní dopady například ve výrobních podnicích a energetice. V těchto dvou odvětvích mohou napáchat obrovské škody, co do finančních ztrát. Jsou ale i taková odvětví, kde ,,prostoje", respektive dočasná provozuneschopnost stroje může způsobit situace, v nichž může jít v nejhorším možném případě i o život. To může být třeba případ vyřazení z chodu u vojenské techniky (jež je součástí vojenské zahraniční mise) v důsledku poruchy jedné či více konstrukčních skupin, jež jsou nezbytné k jejímu spolehlivému provozu.

Mezi jeden z druhů technické diagnostiky, jejímž účelem je předcházení negativním jevům (výše zmíněné prostoje vznikající jako důsledek poruchy stroje), se řadí vibrodiagnostika.

Vibrodiagnostika patří mezi moderní bezdemontážní metody monitorování technického stavu rozličných strojních zařízení. Z obecného hlediska můžeme mezi tato zařízení zahrnout veškerou stacionární techniku, jež disponuje pohyblivými částmi, které v průběhu provozu zařízení kmitají nebo způsobují kmitání částí zařízení, jehož jsou součástí. Dále také zařízení, jež jsou v pohybu za určitých podmínek (při nichž jejich jednotlivé části vyvozují kmitavý pohyb).

Podstata této diagnostické metody spočívá v měření časového průběhu základních kinematických veličin, jako je výchylka, zrychlení či rychlost (může se jednat o krátkodobé či dlouhodobé měření), vyvolaného mechanickým kmitáním a jeho následným převedením do frekvenční oblasti (např. za pomoci Fourierovy transformace v případě náhodného kmitání). Změny projevující se ve frekvenční oblasti (např. zvyšování amplitud vibrací) jsou zaznamenávány a mohou všeobecně napovědět o reálném technickém stavu objektu, na němž je diagnostika prováděna.
Jako jeden z měřicích prostředků, který může časový průběh amplitud mechanického kmitání zachytit, je v technické praxi dobře známý piezoelektrický snímač zrychlení. Měřicí řetězec mimo již výše zmíněný piezoelektrický snímač obsahuje kabeláž (ve většině případů - pokud se nejedná o bezdrátový přenos) a analyzátor společně s vhodným hardwarovým a softwarovým vybavením.

1. Spolehlivost strojních zařízení

Pod pojmem spolehlivost strojních zařízení si lze představit ve smyslu normy ČSN IEC 50(191) termín, jež popisuje u stroje pohotovost k plnění požadovaných funkcí, a faktory, které tuto pohotovost ovlivňují. Mezi tyto faktory lze řadit především bezporuchovost a udržovatelnost společně se zajištěním údržby.

Spolehlivost jako taková zaznamenává a vyhodnocuje stavy stroje v průběhu jeho technického života. Tyto stavy lze vyjádřit za pomoci tabulky 1.

Tab. 1 Stavy stroje v průběhu technického života
Zdroj: [8]

STAVY STROJNÍHO ZAŘÍZENÍ

Použitelný stav

Nepoužitelný stav

Provozuschopný stav

Provozuneschopný stav

Provozuschopný využívaný stav

Provozuschopný nevyužívaný stav

Z důvodu vnějších příčin

Z důvodu vnitřních příčin

Preventivní údržba

Technický prostoj

Organizační prostoj

Provoz (funkční stav zařízení)

Provozní prostoj

Prostoj

Bezporuchový stav

Poruchový stav

Jestliže je sledována okamžitá činnost stroje, potom se sledovaný stroj může nacházet v následujících stavech:

V případě sledování technického stavu stroje se potom jedná o stav:


Obrázek č. 1 Zjednodušené grafické vyjádření technického stavu stroje (Pramen: vlastní)

Jako stav použitelný je u strojního zařízení charakterizována skutečnost, kdy stroj může plnit požadovanou funkci za předpokladu zajištění vnějších prostředků - je-li to požadováno.

Jako provozuneschopný stav je u strojního zařízení charakterizována skutečnost, kdy stroj není schopen z jakýchkoliv příčin plnit požadovanou funkci.

Jako provozuschopný stav je u strojního zařízení charakterizována skutečnost, kdy stroj je schopen plnit požadovanou funkci.

Pojem bezporuchovost je možno chápat jako schopnost zařízení plnit nepřetržitě požadovanou funkci v daných podmínkách a v určitém časovém horizontu.

Výše uvedené stručné pojednání o spolehlivosti strojních zařízení lze vystihnout v podobě tzv. ,,vanové křivky" charakterizující intenzitu poruch vyjádřenou hladinou zrychlení vibrací v závislosti na čase (viz obr. 5) nebo pomocí zjednodušeného grafického vyjádření (viz obr. 1), které ilustruje průběh technické stavu stroje. To znamená, že je zde zaneseno uvedení strojního zařízení do provozu (náběh do provozu), vlastní provoz stroje, v němž jsou zahrnuty i možné opravy, a v konečné fázi také jeho vyřazení z provozu, jež může být způsobeno poruchovým stavem.

2. Mechanické kmitání a jeho druhy

Mechanické kmitání je takový pohyb hmotného tělesa, při němž je těleso vázáno k určitému pevnému bodu. Tento bod definuje jeho rovnovážnou polohu. To znamená, že hmotné těleso se při pohybu v čase vzdaluje od rovnovážné polohy a zase se do ní vrací. Jako příklad lze uvést těleso zavěšené na pružině, které je vychýleno ze své rovnovážné polohy a začne kmitat. Těleso kmitá do té doby, dokud se neustálí vlivem působení útlumu ve své rovnovážné poloze.

Pohyb tělesa nebo soustavy těles, jež kmitají, bývá zpravidla matematicky vyjádřen diferenciální rovnicí, popř. soustavou diferenciálních rovnic. Z tohoto pohledu lze dělit kmitání na:

Z kinematického hlediska lze mechanické kmitání dělit na:

Z pohledu tlumení můžeme mechanické kmitání dělit na:

Dle vlivu buzení lze mechanické kmitání rozdělit na:

Jestliže je hmotné těleso nebo soustava těles vybuzena vnější silou, rozlišujeme buzení:

3. Mechanické kmitání jako ukazatel provozního stavu zařízení


Obrázek č. 2 Umístění snímače zrychlení pro měření intenzity vibrací na zařízení (Pramen: vlastní)

Poruchy vznikající na nejrůznějších strojních zařízeních mají jen v omezené míře náhlý charakter. Většina strojních zařízení totiž již před poruchou, která vede k vyřazení stroje z provozu, jeví určité známky změny provozního stavu. K těmto průběžným změnám skoro vždy můžeme přiřadit zvýšenou intenzitu mechanického kmitání (vibrací), kterou je možné měřit na vhodných místech (obvykle na povrchu) strojních zařízení (viz obr. 2).

Mechanické kmitání lze charakterizovat jako kmitání, při kterém určující veličinou (veličinou popisující kmitání) je mechanická veličina. Volný netlumený harmonický kmitavý pohyb hmotného tělesa umístěného na pružině je názorně zobrazen na obr. 3 s vyznačením amplitudy výchylky. Počet cyklů kmitavého pohybu za dobu 1 sekundy se nazývá kmitočet, bývá vyjádřen v jednotkách hertz [Hz] a je dán vztahem 1.
Kde f je frekvence v [Hz] a T je perioda kmitání [s].


Obrázek č. 3 Oscilační pohyb tělesa okolo rovnovážné polohy (Pramen: vlastní)


Obrázek č. 4a - Volné netlumené kmitání nosníku; 4b - Pohyb pístu u spalovacího motoru (Pramen: vlastní)

Pohyb kmitavého charakteru může být jednoduchý a obsahovat pouze jednu harmonickou složku s určitým kmitočtem (volné netlumené kmitání vetknutého nosníku), nebo složený s určitým počtem harmonických složek s různými kmitočty (pohyb pístu u spalovacího motoru), viz obr. 4.

Mechanické kmitání většinou obsahuje větší počet složek, jež se vyskytují současně na mnoha kmitočtech. Proto na základě pouhého pozorování časového průběhu jeho výchylek nebo zrychlení nelze určit ani počet, ani frekvence jednotlivých složek.

Jednotlivé složky mechanického kmitání mohou být určeny u deterministického kmitání ze závislosti amplitud určující veličiny (výchylka, rychlost, zrychlení) na frekvenci. Rozložení analyzovaných vibrací na jednotlivé složky se nazývá frekvenční analýza. Frekvenční analýzu je možno řadit mezi základní metody měření vibrací. Za výsledek harmonické analýzy je možno považovat frekvenční spektra. Grafické zobrazení závislostí amplitud vibrací na frekvenci jsou spektrogramy.

Frekvenční analýza kmitání strojních součástí, strojů apod. obvykle zobrazuje řadu výrazných frekvencí periodických složek. Ty mají vztah k jednotlivým pohybům různých konstrukčních skupin analyzovaného strojního zařízení. Z výše uvedeného lze soudit, že frekvenční analýza umožňuje nebo v určitých případech usnadňuje odhalování zdrojů a příčin nežádoucího mechanického kmitání, majícího souvislost s možnými poruchami stroje.


Obrázek č. 5 Časový průběh ilustrující skutečnost kumulativního charakteru poškození (Pramen: vlastní)


Obrázek č. 6 Grafické vyjádření hodnot kmitání za normálního a poruchového stavu zařízení (Pramen: vlastní)

Zvýšenou intenzitu kmitání projevující se růstem amplitud výchylek nebo zrychlení kmitání analyzujeme ve frekvenční oblasti. Průběžné změny amplitud můžeme tedy používat jako ukazatele provozního stavu. Obecná křivka znázorněná na obr. 5 ukazuje klasický časový průběh ilustrující skutečnost kumulativního charakteru poškození vyjádřeného zvyšující se hladinou zrychlení mechanického kmitání např. v důsledku opotřebení, vlivem koroze nebo mechanického kontaktu interagujících částí.

Nejvyšší možné přípustné hodnoty vibrací, užívané jako indikátor provozního stavu strojních zařízení, je vhodné určit na základě zkušeností z provozu těchto zařízení. Je možné vyslovit tezi, že za hodnoty amplitud určující veličiny (obvykle zrychlení), které odpovídají okamžiku nutného a neodkladného zákroku, se běžně pokládají rovny dvou- až třínásobky hodnot určujících veličin mechanického kmitání za normálního provozu [2]. Tuto skutečnost ilustruje obr. 6.

Výklad výše poukázal na fakt, že frekvenční analýza mechanického kmitání umožňuje zjišťování a lokalizaci zdrojů valné většiny složek jeho frekvenčního spektra. Frekvenční spektra mechanického kmitání strojních zařízení, která odpovídají jejich normálnímu provoznímu stavu, mohou sloužit jako referenční charakteristiky těchto zařízení. S těmito referenčními spektry je pak možné porovnávat výsledky frekvenční analýzy, prováděné později buď v periodickém sledu, nebo při zvláštních kontrolách. Porovnání jako takové umožňuje nejen včasný zákrok, ale i možné odhalení příčin změn provozních parametrů a případných závad.

4. Uplatnění vibrodiagnostiky

Vibrodiagnostiku, jako jeden z dílčích oborů technické diagnostiky, lze rozdělit do čtyř hlavních podoborů. Podobory vibrodiagnostiky jsou specifické z hlediska nasazení různé měřicí techniky a také vzhledem k dosaženým výsledkům. Mezi podobory vibrodiagnostiky lze zahrnout:

4.1 Zkoušky vibrační odolnosti

Zkoušky vibrační odolnosti poskytují informace o schopnosti zařízení odolat kmitání   a také o vlivu mechanického kmitání na funkčnost a životnost zařízení. Zkoušky vibrační odolnosti se využívají vesměs v etapě projektování nejrůznějších zařízení. Mají za úkol optimalizovat konstrukci zařízení tak, aby splňovala určitá kritéria. Vibrační zkoušky jsou vesměs prováděny na vibračních stolicích, umožňujících testované zařízení zkoušet v jedné nebo více osách.

4.2 Modální analýza

Modální analýza je rozsáhlý a velmi složitý proces, v jehož rámci je aplikován praktický (experiment) a teoretický přístup (aplikace výpočtových metod) s cílem co nejvěrohodněji popsat chování dynamicky namáhaných struktur nejčastěji v etapě projektování zařízení. Experimentální metoda je založena na nejméně dvoukanálové (jeden kanál popisuje buzení a druhý odezvu zařízení na toto buzení) analýze přenosu budícího signálu vybuzenou strukturou. Celý experiment je poté následně vyhodnocen pomocí speciálních programů (aplikace výpočtových metod) v počítači. Tímto způsobem jsou získávána data o dynamických vlastnostech různých zařízení.

4.3 Diagnostika strojních zařízení

Vibrodiagnostika strojních zařízení sleduje aktuální provozní stav zařízení prostřednictvím měření hladiny (zrychlení, rychlost, výchylka) mechanického kmitání (viz kapitola 4). V nejjednodušší možné formě je měřena celková úroveň mechanického kmitání v širokém frekvenčním rozsahu. Frekvenční pásmo je většinou definováno za pomoci norem  a doporučení pro dané zařízení. Více informací lze však získat prostřednictvím frekvenční analýzy. 

4.4 Měření účinků mechanického kmitání na živé organismy

Zde se jedná o podobor, který spadá do oblasti hygieny práce a zabývá se výlučně měřením vibrací, které se přenášejí na živé organismy (hlavně na člověka) z různých zařízení. Naměřené hladiny mechanického kmitání jsou porovnávány s doporučeními a limity dle příslušných normativů pro oblast hygieny.

Závěr

Tento článek ve stručnosti pojednává o využití metod vibrodiagnostiky při predikci poruchových stavů strojních zařízení. Struktura článku je dělena do čtyř kapitol. První kapitola  pojednává o druzích mechanického kmitání společně se stručným vysvětlením. Druhá kapitola vymezuje všeobecný úvod do problematiky. Třetí popisuje základní pojednání o spolehlivosti strojních zařízení. Od spolehlivosti se totiž odvíjí potřeba technické diagnostiky jako nástroje, který nám umožňuje predikovat možné poruchy strojních zařízení a tím zaručovat jejich spolehlivý provoz. V předposlední kapitole je všeobecně pojednáno o vibracích strojů jako o ukazateli jejich provozního stavu a v kapitole poslední jsou popsány oblasti, ve kterých je možno vibrodiagnostiku využít. Cílem článku není odborné pojednání o vibrodiagnostice, nýbrž spíše seznámení se s touto metodou a poukázání na to, že takováto metoda existuje a je v technické praxi využívána.

Literatura

[1]   Brüel & Kjaer: Technical Review, Monitorování mechanického chvění strojních zařízení. 41 s., Firemní brožura

[2]   Brüel & Kjaer: Měření chvění. 40 s., Firemní brožura

[3]   Brüel & Kjaer: Zkoušení mechanických soustav; Část I: Měření pohyblivosti. 47 s., Firemní brožura

[4]   Brüel & Kjaer: Zkoušení konstrukcí; Část II: Analýza vidů kmitání a modelování. 70 s., Firemní brožura

[5]   KREIDL, Marcel a Radislav ŠMÍD. Technická diagnostika. Praha: Technická literatura BEN, 2006, 408 s. ISBN 80-7300-158-6.

[6]   TŮMA, Jiří. Zpracování signálů získaných z mechanických systémů užitím FFT.  Praha: Sdělovací technika, 1997, 195 s. ISBN  80-901936-1-7.

[7]   SMETANA, Ctirad. Hluk a vibrace, měření a hodnocení. Praha: Sdělovací technika, 1998, 188 s. ISBN  80-901936-2-5.

[8]   VLK, Miloš a Zdeněk FLORIAN. Mezní stavy a spolehlivost. Brno: Vojenská akademie, 2007, 235 s.  Elektronické skriptum.

[9]   ZUTH, Daniel a František VDOLEČEK. Možnosti a problémy moderní (vibro)diagnostiky. Praha: Automa, 2009, roč. 15, č. 10, s 10-13. ISSN 1210-9592.


Close