Vibroakustická diagnostika frekvenční analýza, ultrazvukové emise Vibroakustické metody Vibroakustika jako hlavní diagnostický signál používá chvění kmitání vibrace hlučnost Použitý diagnostický signál je zpravidla signálem mnoharozměrným, charakterizovaným více parametry Chvění a hluk jsou přirozenými projevy každého mechanického stroje během provozu Chvění ve stroji je vybuzené: rotující součásti přímočaře se pohybující tělesa Chvění se přenáší na ložiska rotoru ložiska rotoru a pak postupně až na skříň, rám (místem kde se chvění sleduje jsou tedy ložiska) 1
Hluk a celkové chvění stroje Hluk hluk může být zachycen měřícím mikrofonem a také může sloužit ke specifikaci technického stavu stroje či jeho prvků chyba měření: část signálu uniká do okolí část se odráží od stěn či jiných částí stroje nelze přesně lokalizovat poruchu a proto se spíše užijí kontaktní metody snímání chvění Celkové chvění celkové chvění stroje se využívá jako souhrnný diagnostický signál pro stanovení technického stavu stroje jako celku pro stanovení technického stavu se provádí analýza chvění měření chvění je vhodné kombinovat s dalšími diagnostickými metodami (teplota, otáčky, tlak, síly, elektrické veličiny, kroutící momenty ) Měření chvění Chvění lze měřit: absolutně (měří se k nějakému pevnémunehybnému bodu v prostoru) relativně (mezi dvěmi kmitajícími body) Příklad: měření chvění na automobilové převodovce 2
Měření mechanického chvění Jsou tři základní snímače chvění a každý z nich měří některou z veličin (nebo změřený parametr na tuto veličinu transformuje): Výchylka vzdálenost objektu vůči referenční poloze (hřídele nebo rotoru vůči skříni ) Rychlost rychlost se kterou se mění výchylka Zrychlení rychlost změny rychlosti Ačkoliv mězi těmito veličinami existuje definovaný vztah je třeba si uvědomit, že se jedná o tři rozdílné charakteristiky a ne tři názvy pro tutéž veličinu. Výchylka v typickém případě se měří bezdotykovými sondami nebo sondami na vířivé proudy (měří se vzdálenost mezi špičkou sondy a vodivou plochou) monitorují chvění hřídele a používají se u strojů s kluznými ložisky měří pohyb hřídele relativně vůči poloze skříně stroje pokud se bude skříň i hřídel pohybovat současně, tak bude výchylka nulová, přestože se stroj jako celek bude silně chvět používají se také pro měření fáze hřídele úhlová vzdálenost mezi značkou na hřídeli a vibračním signálem (úroveň amplitudy, poloha hřídele ) Zrychlení matematicky je druhou derivací výchylky (rychlost změny rychlosti) měří se pomocí piezoelektrických akcelerometrů (závaží a pružný člen) pružné členy se střídavě deformují vlivem pohybu závaží a generují elektrický proud pracují ve velmi širokém pásmu frekvencí (téměř 0 až 100 khz) protože nejvhodnějším signálem je rychlost chvění, tak jsou zrychlení matematicky integrována na rychlost vibrací 3
Rychlost vibrací nejvýhodnější parametr chvění pro diagnostické účely matematicky je rychlost první derivací výchylky starší typy snímačů jádro které se pohybovalo uvnitř cívky a generované napětí odpovídalo rychlosti pohybu jádra (nespolehlivé a ne příliš přesné) piezoelektrické snímače rychlosti pracují na stejném podkladě jako akcelerometry,, ale integrují zrychlení na rychlost vibrací jsou to poměrně robustní zařízení střední frekvenční pásmo (3 3500 Hz) při trvalém sledování se šroubují přímo na ložiskové domky nebo na skříň stroje při diagnostické prověrce lze snímač držet v ruce nebo připevnit magnetem Chvění periodické kmitání harmonické neharmonické náhodné kmitání Harmonické kmitání základní charakteristikou harmonického kmitání je amplituda (maximální hodnota kmitání výchylky x, rychlosti ωx, zrychlení ω 2 x) frekvence f je to počet kmitů za časovou jednotku f = 1 / T ω = 2. π. f fázový úhel φ udává polohu kmitajícího bodu vzhledem k počátku (čas = 0) rozkmit hodnota harmonického kmitání měřená mezi dvěmi amplitudami opačných smyslů efektivní hodnota je to výchylka při které harmonický kmit nabývá průměrné potenciální nebo kinetické energie střední hodnota kmitání bere v úvahu rovněž časový průběh pohybu a je definována x stř = 0,636. X 4
Neharmonické periodické kmitání vznikne složením jednoduchých harmonických kmitů, jejichž kmitočty jsou racionální čísla opačně každý neharmonický signál lze rozložit na signály harmonické základní perioda nejdelší perioda kmitů základní kmitočet převrácená hodnota periody rozkmit rozdíl kladné a záporné extrémní hodnoty kmitů během základní periody harmonická složka harmonický kmit s kmitočtem, který je celistvým násobkem základního kmitočtu (možno i subharmonické složky) Neharmonické kmitání tímto způsobem se projevuje převážná většina všech vyšetřovaných strojů tento typ chvění se nepopisuje jednoznačnými matematickými nebo grafickými vztahy je popisováno na základě statistických charakteristik určitá nejistota moderní přístroje dokáží rozpoznat stochastické děje a dobře je popsat výsledky lze spolehlivě analyzovat jedná se o práci s pravděpodobnými hodnotami 5
Stanovení charakteristických hodnot parametrů Norma ČSN 011411 stanoví podmínky měření chvění sériově vyráběných strojů s otáčkami od 600 do 12000 za minutu Jako kritérium zavádí mohutnost kmitání neotáčející se části efektivní hodnota rychlosti kmitů měřená ve frekvenčním pásmu 10 až 1000 Hz Podle největší naměřené hodnoty se stroje dělí do 15 tříd Měřící přístroje musí mít kmitočtový rozsah nebo filtr kmitočtového rozsahu 10 až 1000 Hz, frekvenční charakteristiku s plochým maximem od 10 do 1000 Hz (max. chyba měření 10 %) Testovaný stroj uložení stroje přesně podle měřícího protokolu výrazné ovlivnění výsledku (izolační soustava o hmotnosti 1/10 stroje, menší m frekvence stroje na uložení než ¼ nejnižší budící frekvence) Měřící místa volí se nejčastěji na ložiskových podporách, na místech upevnění stroje k základu (tam kde vzniká dynamické namáhání) Snímače většinou piezoelektrické absolutní s příčnou citlivostí menší než n 5 %, hmotnost menší než 1/10 hmotnosti stroje, možnost dobrého upevnění ní ke stroji Provozní podmínky mají být ustálené (otáčky, výkon, zátěž, teplota), jsou-li provozní režimy různé, tak se zkouší za různých ustálených podmínek výsledkem je nejhorší hodnota bez ohledu na režim Výsledky zkoušky zpracovávají se formou protokolu o měření podle příslušné normy Stanovení hodnot diagnostického signálu tam kde je vhodná obnova stroje (z ekonomického hlediska), mnohdy složité a proto se pro diagnostiku u spokojíme s eliminací havarijních poruch 6
Alarmní hodnoty Podstatou je dlouhodobé sledování parametrů chvění samotného stroje (měření za podmínek daných normou) Nejde o měření absolutní hodnoty, ale nárůstu ustálené hodnoty (limity jsou určovány relativně) Hodnocení kmitání ČSN 01 1412 Stroje s výkonem vyšším jak 300 kw a otáčkami v rozsahu 600 až 12000 za minutu 7
Německá norma VDI 2056 s podrobnějším členěním Žádná z norem nemůže vyhovět speciálním požadavkům na 100 %, ale pouze s určitou pravděpodobností Frekvenční analýza chvění mohutnost kmitání umožňuje rozeznat již velké rozvinuté poruchy (souvisí také se všemi frekvencemi kmitů v měřeném bodě) signály s malou amplitudou mohou být v celkovém chvění ztraceny a nepoznány proto se k analýze užívají kmitočtová spektra (signálem k činnosti je nárůst některého kmitočtového spektra) mnohem rychleji informuje o vznikajícím defektu základním prvkem každého analyzátoru je kmitočtový filtr (f 1 f 2 = šířka pásma filtru) analyzátor je vybaven celou řadou filtrů, aby byly postiženy pásma s vysokými i nízkými frekvencemi frekvenční spektrum Fourierova transformace 8
Vlastnosti a parametry signálu chvění Převodovka kulového mlýna poháněná elektromotorem Oblast nízkých kmitočtů rychlost otáčení hřídelů (nevyváženost, přesazení ) dvojnásobek rychlosti otáčení (přesazení, ohyb ) 40 až 49 % rychlosti otáčení (hydrodynamická nestabilita soustavy u málo zatížených hřídelů) vznik subharmonických a meziharmonických složek (uvolnění mechanických vazeb) Oblast středních kmitočtů vyskytují se v tomto pásmu složky, které jsou způsobené záběrem ozubených kol opotřebení zubů spektrum nového a nezávadného soukolí 9
Prasklý zub Oblast vysokých kmitočtů trhlinka nebo jamka ložiska vzniklá únavovým opotřebením nebo korozí 10
Měření ultrazvukové emise Ultrazvukové emise podávají více informací než prosté měření hluku nebo chvění Dobře se tak diagnostikují hydrodynamické systémy vzhledem k vývoji kavitace, jež je intenzívním zdrojem ultrazvukové emise (čerpadla, a, turbíny, vstřikovací čerpadla spalovacích motorů, tlakové nádrže, porubí ) Lze sledovat kromě kavitace i jiné fyzikální parametry (doby a průběhy uzávěrů kapalin, parametry dodávky paliva vstřikovacích čerpadel,, činnost kluzných ložisek ) Lze sledovat proces obrábění (otupení soustružnického nože, okamžik dotyku brusného kotouče s povrchovou strukturou broušeného materiálu ) Těmito metodami lze určit také rozsah poruchy Jedná se o bezdemontážní diagnostiku Kluzná ložiska Kontrola tribologických efektů (suché, kapalné tření) Činnost a technický stav kluzných ložisek se identifikuje na základě kavitace (vliv hydrodynamických tlaků) Průběh hydrodynamických tlaků Ultrazvukové emise: a) vadné ložisko b) neporušené ložisko 11
Vstřikovací čerpadlo signál kavitace se snímá piezoelektrickým snímačem vyhodnocuje se měřičem intenzity ulrazvuku v daném kmitočtovém pásmu zobrazení signálu je vedeno na oscilograf v závislosti na úhlu natočení klikového hřídele Tlakové nádoby 12