Analiza drgań za pomocą Balanset-1A: Podręcznik dla początkujących dotyczący diagnostyki widma

Wprowadzenie: Od wyważania do diagnostyki — pełne wykorzystanie potencjału analizatora drgań

Urządzenie Balanset-1A znane jest przede wszystkim jako skuteczne narzędzie do wyważania dynamicznego. Jednak jego możliwości wykraczają daleko poza to, czyniąc go wydajnym i przystępnym analizatorem drgań. Wyposażony w czułe czujniki i oprogramowanie do analizy widmowej metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT), Balanset-1A to doskonały instrument do kompleksowej analizy drgań. Niniejszy przewodnik wypełnia lukę pozostawioną przez oficjalną instrukcję, wyjaśniając, co dane dotyczące drgań mówią o stanie maszyny.

Niniejszy przewodnik został ustrukturyzowany w sposób sekwencyjny, aby poprowadzić Cię od podstaw do praktycznego zastosowania:

• W rozdziale 1 przedstawiono podstawy teoretyczne, w prosty i zrozumiały sposób wyjaśniono, czym są drgania, jak działa analiza widmowa (FFT) i jakie parametry widmowe są kluczowe dla diagnosty.
• W rozdziale 2 przedstawiono instrukcje krok po kroku dotyczące uzyskiwania wysokiej jakości i wiarygodnych widm drgań przy użyciu urządzenia Balanset-1A w różnych trybach, ze szczególnym uwzględnieniem praktycznych niuansów nieopisanych w standardowej instrukcji.
• Sekcja 3 stanowi sedno artykułu. W niej „odciski palców” – charakterystyczne oznaki spektralne najczęstszych usterek: niewyważenia, niewspółosiowości, luzów mechanicznych i uszkodzeń łożysk – zostaną dokładnie przeanalizowane.
• W części 4 zintegrujemy zdobytą wiedzę w jeden, ujednolicony system, oferujący praktyczne zalecenia dotyczące wdrażania monitorowania i prostego algorytmu podejmowania decyzji.

Dzięki opanowaniu materiału zawartego w tym artykule będziesz w stanie używać Balanset-1A nie tylko jako urządzenia wyważającego, ale także jako pełnoprawnego kompleksu diagnostycznego dla początkujących, który pozwoli Ci wcześnie identyfikować problemy, zapobiegać kosztownym awariom i znacznie zwiększyć niezawodność Twojego sprzętu operacyjnego.

Sekcja 1: Podstawy analizy drgań i widmowej (FFT)

1.1. Czym są wibracje i dlaczego są ważne?

Każde urządzenie wirujące, czy to pompa, wentylator, czy silnik elektryczny, wytwarza wibracje podczas pracy. Wibracje to mechaniczne drgania maszyny lub jej poszczególnych części względem ich położenia równowagi. W idealnym, w pełni funkcjonalnym stanie maszyna generuje niski i stabilny poziom wibracji – jest to jej normalny „hałas roboczy”. Jednak wraz z pojawianiem się i rozwojem usterek, to tło wibracji zaczyna się zmieniać.

Wibracje to reakcja konstrukcji mechanizmu na cykliczne siły wymuszające. Źródła tych sił mogą być bardzo różnorodne:

• Siła odśrodkowa spowodowana niewyważeniem wirnika: Powstaje w wyniku nierównomiernego rozłożenia masy względem osi obrotu. Jest to tzw. „punkt ciężkości”, który podczas obrotu wytwarza siłę przenoszoną na łożyska i obudowę maszyny.
• Siły związane z niedokładnościami geometrycznymi: Niewspółosiowość połączonych wałów, krzywizna wałów, błędy w profilach zębów przekładni — wszystkie te czynniki powodują siły cykliczne wywołujące drgania.
• Siły aerodynamiczne i hydrodynamiczne: Występują podczas obrotu wirników wentylatorów, wyciągów dymu, pomp i turbin.
• Siły elektromagnetyczne: Charakterystyczne dla silników elektrycznych i generatorów. Może być spowodowane np. asymetrią uzwojeń lub występowaniem zwartych zwojów.

Każde z tych źródeł generuje drgania o unikalnej charakterystyce. Właśnie dlatego analiza drgań jest tak skutecznym narzędziem diagnostycznym. Mierząc i analizując drgania, możemy nie tylko stwierdzić, że „maszyna mocno drga”, ale także, z dużym prawdopodobieństwem, określić przyczynę. Ta zaawansowana funkcja diagnostyczna jest niezbędna w każdym nowoczesnym programie konserwacji.

1.2. Od sygnału czasowego do widma: proste wyjaśnienie FFT

Czujnik drgań (akcelerometr), zamontowany na obudowie łożyska, przetwarza drgania mechaniczne na sygnał elektryczny. Wyświetlenie tego sygnału na ekranie w funkcji czasu daje sygnał czasowy lub przebieg falowy. Ten wykres pokazuje, jak amplituda drgań zmienia się w każdej chwili.

W prostym przypadku, takim jak czysta asymetria, sygnał czasowy będzie wyglądał jak gładka sinusoida. Jednak w rzeczywistości na maszynę prawie zawsze działa kilka sił wzbudzających jednocześnie. W rezultacie sygnał czasowy jest złożoną, pozornie chaotyczną krzywą, z której praktycznie niemożliwe jest wydobycie użytecznych informacji diagnostycznych.

W tym miejscu z pomocą przychodzi narzędzie matematyczne – szybka transformata Fouriera (FFT). Można ją sobie wyobrazić jako magiczny pryzmat dla sygnałów wibracyjnych.

Wyobraź sobie, że złożony sygnał czasowy to wiązka białego światła. Wydaje się nam jednolity i nierozróżnialny. Ale kiedy wiązka ta przechodzi przez szklany pryzmat, rozpada się na kolory składowe – czerwony, pomarańczowy, żółty itd., tworząc tęczę. FFT działa podobnie z sygnałem wibracyjnym: pobiera złożoną krzywą z dziedziny czasu i rozkłada ją na proste składowe sinusoidalne, z których każda ma swoją własną częstotliwość i amplitudę.

Wynik tej transformacji jest prezentowany na wykresie zwanym widmem drgań. Widmo jest głównym narzędziem pracy każdego, kto zajmuje się analizą drgań. Pozwala ono zobaczyć, co kryje się w sygnale czasowym: jakie „czyste” drgania składają się na ogólny hałas maszyny.

1.3. Kluczowe parametry widma, które należy zrozumieć

Widmo drgań, które zobaczysz na ekranie Balanset-1A w trybach „Wibrometr” lub „Wykresy”, ma dwie osie, których zrozumienie jest absolutnie niezbędne do diagnostyki.

Oś pozioma (X): Częstotliwość

Ta oś pokazuje częstotliwość występowania drgań i jest mierzona w hercach (Hz). 1 Hz to jedna pełna oscylacja na sekundę. Częstotliwość jest bezpośrednio związana ze źródłem drgań. Różne elementy mechaniczne i elektryczne maszyny generują drgania o charakterystycznych, przewidywalnych częstotliwościach. Znając częstotliwość, przy której obserwuje się wysoki szczyt drgań, możemy zidentyfikować winowajcę — konkretny element lub usterkę.

Częstotliwość obrotowa (1x): Jest to najważniejsza częstotliwość w diagnostyce drgań. Odpowiada ona prędkości obrotowej wału maszyny. Na przykład, jeśli wał silnika obraca się z prędkością 3000 obrotów na minutę (obr./min), jego częstotliwość obrotowa wyniesie: f = 3000 obr./min / 60 s/min = 50 Hz. Częstotliwość ta jest oznaczana jako 1x. Służy ona jako punkt odniesienia do identyfikacji wielu innych usterek.

Oś pionowa (Y): amplituda

Ta oś przedstawia intensywność lub siłę drgań dla każdej określonej częstotliwości. W urządzeniu Balanset-1A amplituda jest mierzona w milimetrach na sekundę (mm/s), co odpowiada wartości średniokwadratowej (RMS) prędkości drgań. Im wyższy szczyt w widmie, tym więcej energii drgań jest skoncentrowane na danej częstotliwości i, z reguły, tym poważniejsza jest związana z tym wada.

Harmonia

Harmoniczne to częstotliwości będące całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. Najczęściej częstotliwość podstawowa jest częstotliwością obrotową 1x. Zatem jej harmoniczne będą wyglądać następująco: 2x (druga harmoniczna) = 2×1x, 3x (trzecia harmoniczna) = 3×1x, 4x (czwarta harmoniczna) = 4×1x itd. Obecność i względna wysokość harmonicznych niosą ze sobą kluczowe informacje diagnostyczne. Na przykład, czyste niewyważenie objawia się głównie przy 1x z bardzo niskimi harmonicznymi. Jednak luzy mechaniczne lub niewspółosiowość wału generują cały „las” wysokich harmonicznych (2x, 3x, 4x,...). Analizując stosunek amplitud między 1x a jej harmonicznymi, można wyróżnić różne rodzaje usterek.

Sekcja 2: Uzyskanie widma drgań za pomocą Balanset-1A

Jakość diagnostyki zależy bezpośrednio od jakości danych początkowych. Błędne pomiary mogą prowadzić do błędnych wniosków, niepotrzebnych napraw lub, przeciwnie, do przeoczenia rozwijającej się usterki. Ta sekcja zawiera praktyczny przewodnik po zbieraniu dokładnych i powtarzalnych danych za pomocą urządzenia.

2.1 Przygotowanie do pomiarów: klucz do dokładnych danych

Przed podłączeniem kabli i uruchomieniem programu należy zwrócić szczególną uwagę na poprawną instalację czujników. To najważniejszy etap, decydujący o wiarygodności wszystkich późniejszych analiz.

Metoda montażu: Balanset-1A jest dostarczany z magnetycznymi podstawami pod czujniki. Jest to wygodna i szybka metoda montażu, ale dla jej skuteczności należy przestrzegać kilku zasad. Powierzchnia w miejscu pomiaru musi być:

• Czysty: Usuń brud, rdzę i łuszczącą się farbę.
• Płaski: Czujnik musi przylegać do całej powierzchni magnesu. Nie należy go montować na powierzchniach zaokrąglonych ani na łbach śrub.
• Masywny: Punkt pomiarowy powinien znajdować się w części nośnej maszyny (np. obudowie łożyska), a nie w cienkiej osłonie ochronnej lub żebrze chłodzącym.

W przypadku stacjonarnego monitoringu lub w celu uzyskania maksymalnej dokładności przy wysokich częstotliwościach zaleca się stosowanie połączenia gwintowanego (kołka), jeśli pozwala na to konstrukcja maszyny.

Lokalizacja: Siły powstające podczas pracy wirnika są przenoszone na obudowę maszyny poprzez łożyska. Dlatego najlepszym miejscem do montażu czujników są obudowy łożysk. Staraj się umieścić czujnik jak najbliżej łożyska, aby mierzyć drgania z minimalnymi zniekształceniami.

Kierunek pomiaru: Wibracje to proces trójwymiarowy. Aby uzyskać pełny obraz stanu maszyny, pomiary należy przeprowadzać w trzech kierunkach:

• Promieniowy poziomy (H): Prostopadle do osi wału, w płaszczyźnie poziomej.
• Promieniowy pionowy (V): Prostopadle do osi wału, w płaszczyźnie pionowej.
• Osiowy (A): Równolegle do osi wału.

Z reguły sztywność konstrukcji w kierunku poziomym jest niższa niż w pionowym, dlatego amplituda drgań w kierunku poziomym jest często najwyższa. Dlatego do wstępnej oceny często wybiera się kierunek poziomy. Jednak drgania osiowe niosą ze sobą unikalne informacje, niezwykle ważne dla diagnozowania usterek, takich jak niewspółosiowość wałów.

Balanset-1A to urządzenie dwukanałowe, które w instrukcji jest rozpatrywane głównie z perspektywy wyważania dwupłaszczyznowego. Otwiera to jednak znacznie szersze możliwości diagnostyczne. Zamiast pomiaru drgań dwóch różnych łożysk, oba czujniki można podłączyć do tego samego zespołu łożyskowego, ale w różnych kierunkach. Na przykład kanał czujnika 1 można zamontować promieniowo (poziomo), a kanał czujnika 2 osiowo. Jednoczesna akwizycja widm w dwóch kierunkach pozwala na natychmiastowe porównanie drgań osiowych i promieniowych, co jest standardową techniką w profesjonalnej diagnostyce, zapewniającą niezawodne wykrywanie niewspółosiowości. Metoda ta znacznie rozszerza możliwości diagnostyczne urządzenia, wykraczając poza to, co opisano w instrukcji.

2.2. Krok po kroku: Korzystanie z trybu „Wibrometru” (F5) do szybkiej oceny

Ten tryb jest przeznaczony do operacyjnego sterowania głównymi parametrami drgań i idealnie nadaje się do szybkiej oceny stanu maszyny „na miejscu”. Procedura uzyskiwania widma w tym trybie jest następująca:

1. Podłączenie czujników: Zamontuj czujniki drgań w wybranych punktach i podłącz je do wejść X1 i X2 jednostki pomiarowej. Podłącz tachometr laserowy do wejścia X3 i umieść znacznik odblaskowy na wale.
2. Uruchomienie programu: W głównym oknie programu Balanset-1A kliknij przycisk „F5 – Miernik drgań”.
3. Otworzy się okno robocze (rys. 7.4 w instrukcji). W jego górnej części wyświetlane będą wartości cyfrowe: drgania całkowite (V1s), drgania z częstotliwością obrotową (V1o), faza (F1) i prędkość obrotowa (N rev).
4. Rozpocznij pomiar: Kliknij przycisk „F9 – Uruchom”. Program rozpocznie zbieranie i wyświetlanie danych w czasie rzeczywistym.
5. Przeanalizuj widmo: Na dole okna znajduje się wykres „Widmo drgań – kanał 1 i 2 (mm/s)”. To jest widmo drgań. Oś pozioma przedstawia częstotliwość w Hz, a oś pionowa – amplitudę w mm/s.

Ten tryb umożliwia przeprowadzenie pierwszej, najważniejszej kontroli diagnostycznej, zalecanej nawet w instrukcji wyważania. Porównaj wartości V1s (drgania całkowite) i V1o (drgania przy częstotliwości obrotowej 1x).

• Jeśli V1s≈V1o, oznacza to, że większość energii drgań jest skoncentrowana na częstotliwości obrotowej. Główną przyczyną drgań jest najprawdopodobniej niewyważenie.
• Jeśli V1s≫V1o, oznacza to, że znaczna część drgań jest spowodowana innymi źródłami (niewspółosiowość, luzy, wady łożysk itp.). W takim przypadku samo wyważenie nie rozwiąże problemu i konieczna jest głębsza analiza widma.

2.3. Krok po kroku: Korzystanie z trybu „Wykresy” (F8) do szczegółowej analizy

W przypadku poważnej diagnostyki wymagającej bardziej szczegółowej analizy widma, tryb „Wykresy” jest znacznie lepszy. Zapewnia on większy i bardziej informacyjny wykres, co ułatwia identyfikację pików i analizę ich struktury. Procedura uzyskiwania widma w tym trybie:

1. Podłącz czujniki w taki sam sposób jak w przypadku trybu „Wibrometr”.
2. Tryb startowy: W głównym oknie programu kliknij przycisk „F8 – Wykresy”.
3. Wybierz typ wykresu: W otwartym oknie (rys. 7.19 w instrukcji) u góry pojawi się rząd przycisków. Kliknij „F5 – Spektrum (Hz)”.
4. Otworzy się okno analizy widma (rys. 7.23 w instrukcji). W górnej części będzie wyświetlany sygnał czasowy, a w dolnej, głównej – widmo drgań.
5. Rozpocznij pomiar: Kliknij przycisk „F9 – Uruchom”. Urządzenie wykona pomiar i utworzy szczegółowe wykresy.

Widmo uzyskane w tym trybie jest znacznie wygodniejsze do analizy. Można wyraźniej dostrzec piki o różnych częstotliwościach, ocenić ich wysokość i zidentyfikować szeregi harmoniczne. Tryb ten jest zalecany do diagnozowania usterek opisanych w następnym rozdziale.

Sekcja 3: Diagnostyka typowych usterek na podstawie widm drgań (do 1000 Hz)

Ta sekcja stanowi praktyczne jądro przewodnika. Nauczymy się odczytywać widma i korelować je z konkretnymi problemami mechanicznymi. Dla wygody i szybkiej orientacji w terenie, główne wskaźniki diagnostyczne zostały podsumowane w tabeli zbiorczej. Będzie ona stanowić szybkie źródło informacji podczas analizy danych rzeczywistych.

Tabela 3.1: Podsumowanie wskaźników diagnostycznych

Wada	Podstawowy podpis widmowy	Typowe harmoniczne	Uwagi
Brak równowagi	Wysoka amplituda przy częstotliwości obrotowej 1×	Niski	Dominują drgania radialne. Amplituda rośnie kwadratowo wraz z prędkością.
Niewspółosiowość	Wysoka amplituda przy częstotliwości obrotowej 2×	1×, 3×, 4×	Często towarzyszą im drgania osiowe.
Luz mechaniczny	Wiele harmonicznych 1× ("las" harmonicznych)	1×, 2×, 3×, 4×, 5×...	Subharmoniczne (0,5×, 1,5×) mogą pojawiać się przy 1/2x, 3/2x itd. z powodu pęknięć.
Wada łożyska	Szczyty przy częstotliwościach niesynchronicznych (BPFO, BPFI itp.)	Wiele harmonicznych częstotliwości defektów	Często widoczne jako pasma boczne wokół szczytów. Brzmi jak „szum” w zakresie wysokich częstotliwości.
Wada zazębienia	Wysoka częstotliwość zazębienia przekładni (GMF) i jej harmoniczne	Pasma boczne wokół GMF przy 1x	Oznacza zużycie, uszkodzenie zębów lub mimośrodowość.

Następnie omówimy szczegółowo każdy z tych defektów.

3.1. Brak równowagi: najczęstszy problem

Przyczyna fizyczna: Niewyważenie występuje, gdy środek masy obracającej się części (wirnika) nie pokrywa się z jej geometryczną osią obrotu. Powoduje to powstanie „ciężkiego punktu”, który podczas obrotu generuje siłę odśrodkową działającą w kierunku promieniowym i przenoszoną na łożyska i fundament.

Sygnatury widmowe: Głównym objawem jest szczyt o wysokiej amplitudzie, ściśle odpowiadający częstotliwości obrotowej (1x). Drgania mają głównie charakter promieniowy. Istnieją dwa główne rodzaje niewyważenia:

Niewyważenie statyczne (jedna płaszczyzna)

Opis widma: Widmo jest całkowicie zdominowane przez pojedynczy pik o podstawowej częstotliwości obrotowej (1x). Wibracje mają charakter sinusoidalny, z minimalną energią przy innych częstotliwościach.

Krótki opis składowych widmowych: Przede wszystkim silna składowa częstotliwości obrotowej 1x. Niewielka lub żadna obecność wyższych harmonicznych (czysty ton 1x).

Kluczowa cecha: Duża amplituda 1x we wszystkich kierunkach promieniowych. Drgania w obu łożyskach są w fazie (brak różnicy faz między dwoma końcami). Często obserwuje się przesunięcie fazowe wynoszące około 90° między pomiarami poziomymi i pionowymi na tym samym łożysku.

Nierównowaga dynamiczna (dwie płaszczyzny / para)

Opis widma: Widmo wykazuje również dominujący szczyt częstotliwości raz na obrót (1x), podobny do niewyważenia statycznego. Wibracje występują przy prędkości obrotowej, bez znaczącej zawartości wyższych częstotliwości, jeśli jedynym problemem jest niewyważenie.

Krótki opis składowych widmowych: Dominująca składowa 1x RPM (często z „kołysaniem” lub chybotaniem wirnika). Wyższe harmoniczne są zazwyczaj nieobecne, chyba że występują inne usterki.

Kluczowa cecha: 1x wibracja na każdym łożysku poza fazą — różnica faz między drganiami na obu końcach wirnika wynosi około 180° (co wskazuje na niewyważenie pary). Silny szczyt 1x przy tej zależności fazowej jest oznaką niewyważenia dynamicznego.

Co zrobić: Jeśli widmo wskazuje na niewyważenie, należy przeprowadzić procedurę wyważania. W przypadku niewyważenia statycznego wystarczające jest wyważenie jednopłaszczyznowe (patrz rozdział 7.4 instrukcji), a w przypadku niewyważenia dynamicznego – wyważenie dwupłaszczyznowe (patrz rozdział 7.5 instrukcji).

3.2. Niewspółosiowość wałów: ukryte zagrożenie

Przyczyna fizyczna: Niewspółosiowość występuje, gdy osie obrotu dwóch sprzężonych wałów (np. wału silnika i wału pompy) nie pokrywają się. Podczas obrotu niewspółosiowych wałów w sprzęgle i łożyskach powstają siły cykliczne, powodując drgania.

Niewspółosiowość równoległa (przesunięte wały)

Opis widma: Widmo drgań wykazuje podwyższoną energię w częstotliwości podstawowej (1x) oraz jej harmonicznych 2x i 3x, szczególnie w kierunku promieniowym. Zazwyczaj dominuje składowa 1x z obecnością niewspółosiowości, której towarzyszy wyraźna składowa 2x.

Krótki opis składowych widmowych: Zawiera znaczące piki przy częstotliwościach obrotowych wału 1x, 2x i 3x. Występują one głównie w pomiarach drgań promieniowych (prostopadłych do wału).

Kluczowa cecha: Wysokie drgania 1x i 2x w kierunku promieniowym są charakterystyczne. Często obserwuje się 180° różnicę fazową między pomiarami drgań promieniowych po przeciwnych stronach sprzęgła, co odróżnia je od czystego niewyważenia.

Niewspółosiowość kątowa (wały pochyłe)

Opis widma: Widmo częstotliwości wykazuje silne harmoniczne prędkości wału, szczególnie wyraźną składową 2x prędkości obrotowej, oprócz 1x. Występują drgania przy 1x, 2x (a często 3x), przy czym drgania osiowe (wzdłuż wału) są znaczące.

Krótki opis składowych widmowych: Wyraźne piki przy prędkościach 1x i 2x (a czasami 3x) biegu. Składowa 2x jest często tak samo duża lub większa niż składowa 1x. Częstotliwości te są wyraźne w widmie drgań osiowych (wzdłuż osi maszyny).

Kluczowa cecha: Stosunkowo wysoka amplituda drugiej harmonicznej (2x) w porównaniu z 1x, w połączeniu z silnymi drganiami osiowymi. Pomiary osiowe po obu stronach sprzężenia są przesunięte w fazie o 180°, co jest charakterystyczną cechą rozbieżności kątowej.

Co zrobić: Wyważanie w tym przypadku nie pomoże. Zatrzymaj maszynę i wykonaj procedurę osiowania wału za pomocą specjalistycznych narzędzi.

3.3. Luz mechaniczny: „grzechotanie” w maszynie

Przyczyna fizyczna: Wada ta wiąże się z utratą sztywności połączeń konstrukcyjnych: luźnymi śrubami, pęknięciami fundamentu, zwiększonymi luzami w gniazdach łożyskowych. W wyniku luzów powstają uderzenia, tworzące charakterystyczny wzór drgań.

Luz mechaniczny (luźność komponentów)

Opis: Widmo jest bogate w składowe częstotliwościowe prędkości obrotowej. Pojawia się szeroki zakres całkowitych wielokrotności 1x (od 1x do wyższych rzędów, takich jak ~10x) o znacznych amplitudach. W niektórych przypadkach mogą również pojawiać się częstotliwości subharmoniczne (np. 0,5x).

Składniki widmowe: Dominują składowe częstotliwościowe prędkości obrotowej (1x, 2x, 3x... do ~10x). Czasami, ze względu na powtarzające się uderzenia, mogą występować również składowe częstotliwościowe ułamkowe (półcałkowite) na poziomie 1/2x, 3/2x itd.

Kluczowa cecha: Charakterystyczna „seria pików” w widmie – liczne, równomiernie rozmieszczone piki o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami prędkości obrotowej. Wskazuje to na utratę sztywności lub nieprawidłowy montaż części, powodujący powtarzające się uderzenia. Obecność wielu harmonicznych (i potencjalnie półcałkowitych subharmonicznych) jest kluczowym wskaźnikiem.

Luz konstrukcyjny (luźność podstawy/mocowania)

Opis: W widmie drgań często dominują drgania o częstotliwości podstawowej lub podwójnej częstotliwości obrotowej. Zazwyczaj szczyt pojawia się przy częstotliwości 1x i/lub 2x. Wyższe harmoniczne (powyżej 2x) mają zazwyczaj znacznie mniejsze amplitudy w porównaniu z tymi głównymi.

Składniki widmowe: Dominują składowe częstotliwości przy prędkościach wału 1x i 2x. Pozostałe harmoniczne (3x, 4x itd.) są zazwyczaj nieobecne lub nieistotne. Składowa 1x lub 2x może dominować w zależności od rodzaju luzu (np. jedno uderzenie na obrót lub dwa uderzenia na obrót).

Kluczowa cecha: Wyraźnie wysokie piki 1x lub 2x (lub oba) w stosunku do reszty widma, wskazujące na luz łożysk lub konstrukcji. Drgania są silniejsze w kierunku pionowym, jeśli maszyna jest luźno zamontowana. Jeden lub dwa dominujące piki niskiego rzędu z niewielką liczbą harmonicznych wyższego rzędu są charakterystyczne dla luzu konstrukcyjnego lub fundamentowego.

Co zrobić: Konieczna jest dokładna inspekcja urządzenia. Sprawdź wszystkie dostępne śruby mocujące (łożyska, obudowę). Sprawdź ramę i fundament pod kątem pęknięć. W przypadku luzów wewnętrznych (np. w gnieździe łożyska) może być konieczny demontaż urządzenia.

3.4. Wady łożysk tocznych: wczesne ostrzeżenie

Przyczyna fizyczna: Występowanie uszkodzeń (wżerów, wykruszeń, zużycia) na powierzchniach tocznych (pierścieniu wewnętrznym, pierścieniu zewnętrznym, elementach tocznych) lub na koszyku. Za każdym razem, gdy element toczny przetoczy się po uszkodzeniu, występuje krótki impuls uderzeniowy. Impulsy te powtarzają się z określoną częstotliwością, charakterystyczną dla każdego elementu łożyska.

Sygnatury widmowe: Wady łożysk pojawiają się jako piki przy częstotliwościach niesynchronicznych, tj. przy częstotliwościach, które nie są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości obrotowej (1x). Częstotliwości te (BPFO – częstotliwość defektów bieżni zewnętrznej, BPFI – bieżnia wewnętrzna, BSF – element toczny, FTF – koszyk) zależą od geometrii łożyska i prędkości obrotowej. Początkujący diagnosta nie musi obliczać ich dokładnych wartości. Najważniejsze to nauczyć się rozpoznawać ich obecność w widmie.

Wada rasy zewnętrznej

Opis widma: Widmo drgań wykazuje serię szczytów odpowiadających częstotliwości defektu zewnętrznej bieżni i jej harmonicznym. Szczyty te występują zwykle przy wyższych częstotliwościach (nie są to wielokrotności całkowite obrotów wału) i wskazują za każdym razem, gdy element toczny przechodzi nad defektem zewnętrznej bieżni.

Krótki opis składowych widmowych: Obecne są wielokrotne harmoniczne częstotliwości przesuwu kulki w bieżni zewnętrznej (BPFO). Zazwyczaj w widmie można zaobserwować 8–10 harmonicznych BPFO w przypadku wyraźnego uszkodzenia bieżni zewnętrznej. Odstęp między tymi szczytami jest równy BPFO (częstotliwość charakterystyczna określona przez geometrię łożyska i prędkość).

Kluczowa cecha: Wyraźny ciąg pików w BPFO i jego kolejnych harmonicznych jest znakiem rozpoznawczym. Obecność licznych, równomiernie rozmieszczonych pików o wysokiej częstotliwości (BPFO, 2xBPFO, 3xBPFO, ...) jednoznacznie wskazuje na wadę zewnętrznego łożyska bieżni.

Wada wyścigu wewnętrznego

Opis widma: Widmo uszkodzenia bieżni wewnętrznej wykazuje kilka wyraźnych pików o częstotliwości uszkodzenia bieżni wewnętrznej i jej harmonicznych. Ponadto każdemu z tych pików częstotliwości uszkodzenia zazwyczaj towarzyszą piki wstęgi bocznej rozmieszczone w odstępach odpowiadających częstotliwości prędkości obrotowej (1x).

Krótki opis składowych widmowych: Zawiera wiele harmonicznych częstotliwości przejścia kulki przez bieżnię wewnętrzną (BPFI), często rzędu 8–10 harmonicznych. Charakterystyczną cechą tych szczytów BPFI jest modulacja pasm bocznych z częstotliwością ±1x obr./min – co oznacza, że obok każdej harmonicznej BPFI pojawiają się mniejsze szczyty boczne, oddzielone od szczytu głównego wartością równą częstotliwości obrotów wału.

Kluczowa cecha: Znakiem rozpoznawczym jest obecność harmonicznych częstotliwości defektu wewnętrznej bieżni (BPFI) ze wzorem wstęgi bocznej. Wstęgi boczne rozmieszczone zgodnie z prędkością wału wokół harmonicznych BPFI wskazują, że defekt wewnętrznej bieżni jest obciążany raz na obrót, co potwierdza problem z wewnętrzną bieżnią, a nie zewnętrzną.

Wada elementu tocznego (kulki/rolki)

Opis widma: Wada elementu tocznego (kulki lub wałka) powoduje drgania przy częstotliwości wirowania elementu tocznego i jego harmonicznych. Widmo pokaże serię szczytów, które nie są całkowitymi wielokrotnościami prędkości wału, ale raczej wielokrotnościami częstotliwości wirowania kuli/wałka (BSF). Jeden z tych szczytów harmonicznych jest często znacznie większy od pozostałych, odzwierciedlając liczbę uszkodzonych elementów tocznych.

Krótki opis składowych widmowych: Pojawią się piki o częstotliwości podstawowej defektu elementów tocznych (BSF) i ich harmonicznych. Na przykład, BSF, 2xBSF, 3xBSF itd. Co istotne, wzór amplitudy tych pików może wskazywać na liczbę uszkodzonych elementów – np. jeśli druga harmoniczna jest największa, może to sugerować, że dwie kulki/rolki mają odpryski. Często towarzyszą temu drgania o częstotliwościach defektu bieżni, ponieważ uszkodzenie elementów tocznych często prowadzi również do uszkodzenia bieżni.

Kluczowa cecha: Obecność serii pików oddzielonych częstotliwością BSF (częstotliwością wirowania elementów łożyska), a nie częstotliwością obrotów wału, wskazuje na defekt elementu tocznego. Szczególnie wysoka amplituda N-tej harmonicznej BSF często oznacza uszkodzenie N elementów (np. bardzo wysoki pik 2xBSF może wskazywać na dwie kulki z defektami).

Wada klatki (koszyk łożyska / FTF)

Opis widma: Wada koszyka (separatora) w łożysku tocznym powoduje drgania o częstotliwości obrotowej koszyka – podstawowej częstotliwości drgań (FTF) – i jej harmonicznych. Częstotliwości te są zazwyczaj subsynchroniczne (poniżej prędkości obrotowej wału). Widmo będzie wykazywać piki przy częstotliwościach FTF, 2xFTF, 3xFTF itd., a często także pewną interakcję z innymi częstotliwościami łożysk wynikającą z modulacji.

Krótki opis składowych widmowych: Piki o niskiej częstotliwości odpowiadające częstotliwości obrotowej klatki (FTF) i jej całkowitym wielokrotnościom. Na przykład, jeśli FTF ≈ 0,4x prędkości wału, można zaobserwować piki przy ~0,4x, ~0,8x, ~1,2x itd. W wielu przypadkach defekt klatki współwystępuje z defektami wyścigu, więc FTF może modulować sygnały defektu wyścigu, generując częstotliwości sumaryczne/różnicowe (pasma boczne wokół częstotliwości wyścigu).

Kluczowa cecha: Jeden lub więcej pików subharmonicznych (poniżej 1x), które pokrywają się z prędkością obrotową koszyka łożyska (FTF), wskazuje na problem z koszykiem. Często pojawia się to obok innych oznak uszkodzenia łożyska. Kluczowym sygnałem jest obecność FTF i jego harmonicznych w widmie, co w innych przypadkach jest rzadkością, chyba że koszyk uległ awarii.

Co zrobić: Pojawienie się częstotliwości pracy łożysk to sygnał do działania. Należy zintensyfikować monitorowanie tego urządzenia, sprawdzić stan smarowania i jak najszybciej zaplanować wymianę łożysk.

3.5. Usterki przekładni

Mimośrodowość przekładni / wygięty wał

Opis widma: Ta usterka powoduje modulację drgań zazębienia. W widmie szczyt częstotliwości zazębienia (GMF) jest otoczony przez szczyty wstęgi bocznej rozmieszczone w odstępach odpowiadających częstotliwości obrotowej wału koła zębatego (1x obr./min). Często drgania własne koła zębatego, odpowiadające 1x prędkości obrotowej, są również podwyższone z powodu efektu niewyważenia mimośrodowego.

Krótki opis składowych widmowych: Zauważalny wzrost amplitudy przy częstotliwości zazębienia i jej niższych harmonicznych (np. 1x, 2x, 3x GMF). Wokół GMF (a czasami wokół jej harmonicznych) pojawiają się wyraźne pasma boczne w odstępach równych 1x prędkości obrotowej danego koła zębatego. Obecność tych pasm bocznych wskazuje na modulację amplitudy częstotliwości zazębienia przez obroty koła zębatego.

Kluczowa cecha: Charakterystyczną cechą jest częstotliwość zazębienia z wyraźnymi pasmami bocznymi o częstotliwości 1x. Ten wzór pasm bocznych (szczyty rozmieszczone równomiernie wokół GMF zgodnie z prędkością obrotową) wyraźnie wskazuje na mimośrodowość koła zębatego lub wygięcie wału zębatego. Dodatkowo, drgania podstawowe koła zębatego (1x) mogą być wyższe niż normalnie.

Zużycie lub uszkodzenie zębów przekładni

Opis widma: Uszkodzenia zębów kół zębatych (takie jak zużyte lub uszkodzone zęby) powodują wzrost drgań na częstotliwości zazębienia i jej harmonicznych. Widmo często wykazuje liczne piki GMF (1xGMF, 2xGMF itd.) o wysokiej amplitudzie. Dodatkowo, wokół tych pików GMF pojawiają się liczne częstotliwości wstęg bocznych, oddalone od siebie o częstotliwość obrotową wału. W niektórych przypadkach można również zaobserwować wzbudzenie częstotliwości własnych przekładni (rezonanse) przez wstęgi boczne.

Krótki opis składowych widmowych: Podwyższone piki częstotliwości zazębienia (częstotliwości zazębienia) i jej harmonicznych (na przykład 2xGMF). Wokół każdej głównej harmonicznej GMF występują piki wstęg bocznych, oddzielone 1x prędkością biegu. Liczba i rozmiar wstęg bocznych wokół składowych 1x, 2x, 3x GMF zwykle rosną wraz z głębokością uszkodzenia zębów. W poważnych przypadkach mogą pojawić się dodatkowe piki odpowiadające częstotliwościom rezonansowym koła zębatego (z własnymi wstęgami bocznymi).

Kluczowa cecha: Charakterystyczną cechą są liczne harmoniczne częstotliwości zazębienia o wysokiej amplitudzie, którym towarzyszą gęste pasma boczne. Wskazuje to na nieregularne przechodzenie zębów z powodu zużycia lub złamania. Silnie zużyte lub uszkodzone koło zębate będzie wykazywać rozległe pasma boczne (w odstępach 1x prędkości) wokół szczytów częstotliwości zazębienia, co odróżnia je od sprawnego koła zębatego (które miałoby czystsze widmo skoncentrowane w GMF).

Co zrobić: Występowanie częstotliwości związanych z przekładniami zębatymi wymaga szczególnej uwagi. Zaleca się sprawdzenie stanu oleju w przekładni pod kątem obecności cząstek metalicznych oraz zaplanowanie przeglądu przekładni w celu oceny zużycia lub uszkodzenia zębów.

Ważne jest, aby zrozumieć, że w rzeczywistych warunkach maszyny rzadko cierpią z powodu tylko jednej usterki. Bardzo często widmo jest kombinacją objawów kilku usterek, takich jak niewyważenie i niewspółosiowość. Może to być mylące dla początkującego diagnosty. W takich przypadkach obowiązuje prosta zasada: najpierw należy zająć się problemem odpowiadającym szczytowi o największej amplitudzie. Często jedna poważna usterka (np. znaczna niewspółosiowość) powoduje problemy wtórne, takie jak zwiększone zużycie łożysk lub poluzowanie się śrub. Eliminując przyczynę, można znacznie ograniczyć występowanie usterek wtórnych.

Sekcja 4: Praktyczne zalecenia i dalsze kroki

Opanowawszy podstawy interpretacji widma, wykonałeś pierwszy i najważniejszy krok. Teraz konieczne jest włączenie tej wiedzy do codziennej praktyki konserwacyjnej. Ta sekcja poświęcona jest przejściu od pomiarów jednorazowych do podejścia systematycznego oraz wykorzystaniu uzyskanych danych do podejmowania świadomych decyzji.

4.1. Od pojedynczego pomiaru do monitorowania: siła trendów

Pojedyncze widmo to jedynie „migawka” stanu maszyny w danym momencie. Może być bardzo pouczające, ale jego prawdziwa wartość ujawnia się dopiero po porównaniu z poprzednimi pomiarami. Proces ten nazywa się monitorowaniem stanu lub analizą trendów.

Pomysł jest bardzo prosty: zamiast oceniać stan maszyny na podstawie bezwzględnych wartości drgań („dobrych” lub „złych”), śledzimy, jak te wartości zmieniają się w czasie. Powolny, stopniowy wzrost amplitudy przy określonej częstotliwości wskazuje na systematyczne zużycie, a nagły skok jest sygnałem alarmowym, sygnalizującym szybki rozwój usterki.

Praktyczna wskazówka:

• Utwórz spektrum bazowe: Przeprowadź dokładny pomiar nowego, niedawno naprawionego lub sprawdzonego sprzętu. Zapisz te dane (widma i wartości liczbowe) w archiwum programu Balanset-1A. To Twój „punkt odniesienia” dla tego urządzenia.
• Ustal okresowość: Określ częstotliwość wykonywania pomiarów kontrolnych. W przypadku sprzętu o krytycznym znaczeniu może to być raz na dwa tygodnie; w przypadku sprzętu pomocniczego – raz na miesiąc lub kwartał.
• Zapewnij powtarzalność: Za każdym razem należy wykonywać pomiary w tych samych punktach, w tych samych kierunkach i, jeśli to możliwe, w tych samych warunkach pracy maszyny (obciążenie, temperatura).
• Porównaj i przeanalizuj: Po każdym nowym pomiarze należy porównać uzyskane widmo z linią bazową i poprzednimi. Należy zwrócić uwagę nie tylko na pojawienie się nowych pików, ale również na wzrost amplitudy już istniejących. Gwałtowny wzrost amplitudy dowolnego piku (np. dwukrotny w porównaniu z poprzednim pomiarem) jest wiarygodnym sygnałem rozwijającej się wady, nawet jeśli bezwzględna wartość drgań nadal mieści się w dopuszczalnych granicach zgodnie z normami ISO.

4.2. Kiedy zachować równowagę, a kiedy szukać innej przyczyny?

Ostatecznym celem diagnostyki jest nie tylko znalezienie defektu, ale podjęcie właściwej decyzji o niezbędnych działaniach. Na podstawie analizy widmowej można zbudować prosty i skuteczny algorytm decyzyjny.

Algorytm działania oparty na analizie widmowej:

1. Uzyskaj wysokiej jakości widmo za pomocą Balanset-1A, najlepiej w trybie „Wykresy” (F8), dokonując pomiarów zarówno w kierunku promieniowym, jak i osiowym.
2. Zidentyfikuj szczyt o największej amplitudzie. Wskazuje on dominujący problem, którym należy zająć się w pierwszej kolejności.
3. Określ rodzaj usterki na podstawie częstotliwości tego szczytu:
   • Jeżeli dominuje pik 1x: Najbardziej prawdopodobną przyczyną jest brak równowagi.
     Działanie: Wykonaj procedurę dynamicznego wyważania wykorzystując funkcjonalność urządzenia Balanset-1A.
   • Jeżeli dominuje szczyt 2x (szczególnie, jeżeli jest on wysoki w kierunku osiowym): Najbardziej prawdopodobną przyczyną jest niewspółosiowość wałów.
     Działanie: Wyważanie jest nieskuteczne. Konieczne jest zatrzymanie jednostki i wykonanie osiowania wałów.
   • Jeżeli obserwujemy „las” wielu harmonicznych (1x, 2x, 3x,...): Najbardziej prawdopodobną przyczyną jest luz mechaniczny.
     Działanie: Przeprowadź kontrolę wizualną. Sprawdź i dokręć wszystkie śruby mocujące. Sprawdź ramę i fundament pod kątem pęknięć.
   • Jeżeli w zakresie średnich i wysokich częstotliwości dominują szczyty niesynchroniczne: Najbardziej prawdopodobną przyczyną jest uszkodzenie łożyska tocznego.
     Działanie: Sprawdź smarowanie w zespole łożyskowym. Rozpocznij planowanie wymiany łożyska. Zwiększ częstotliwość monitorowania tego zespołu, aby śledzić tempo rozwoju usterek.
   • Jeżeli dominuje częstotliwość zazębienia (GMF) z pasmami bocznymi: Najbardziej prawdopodobną przyczyną jest uszkodzenie przekładni.
     Działanie: Sprawdź stan oleju w skrzyni biegów. Zaplanuj przegląd skrzyni biegów, aby ocenić zużycie lub uszkodzenie zębów.

Ten prosty algorytm pozwala na przejście od abstrakcyjnej analizy do konkretnych, ukierunkowanych działań konserwacyjnych, co jest ostatecznym celem wszelkich prac diagnostycznych.

Wnioski

Urządzenie Balanset-1A, pierwotnie zaprojektowane jako specjalistyczne narzędzie do wyważania, ma znacznie większy potencjał. Możliwość pozyskiwania i wyświetlania widm drgań czyni je zaawansowanym analizatorem drgań klasy podstawowej. Niniejszy artykuł miał stanowić pomost między możliwościami operacyjnymi urządzenia opisanymi w instrukcji a podstawową wiedzą niezbędną do interpretacji danych uzyskanych z sesji analizy drgań.

Opanowanie podstawowych umiejętności analizy widmowej to nie tylko nauka teorii, ale także zdobycie praktycznego narzędzia zwiększającego efektywność pracy. Zrozumienie, jak różne usterki – niewyważenie, niewspółosiowość, luzy i wady łożysk – manifestują się jako unikalne „odciski palców” w widmie drgań, pozwala zajrzeć do wnętrza pracującej maszyny bez jej demontażu.

Najważniejsze wnioski z tego przewodnika:

• Wibracja jest informacją. Każdy pik w widmie niesie informację o konkretnym procesie zachodzącym w mechanizmie.
• FFT jest Twoim tłumaczem. Szybka transformata Fouriera przekłada skomplikowany i chaotyczny język wibracji na prosty i zrozumiały język częstotliwości i amplitud.
• Diagnostyka polega na rozpoznawaniu wzorców. Dzięki umiejętności identyfikowania charakterystycznych wzorców widmowych głównych defektów można szybko i dokładnie ustalić przyczynę wzrostu drgań.
• Trendy są ważniejsze niż wartości bezwzględne. Regularne monitorowanie i porównywanie bieżących danych z danymi bazowymi stanowi podstawę podejścia predykcyjnego, umożliwiając identyfikację problemów na jak najwcześniejszym etapie.

Droga do stania się pewnym siebie i kompetentnym analitykiem drgań wymaga czasu i praktyki. Nie bój się eksperymentować, zbieraj dane z różnych urządzeń i twórz własną bibliotekę „widm zdrowia” i „widm chorób”. Ten przewodnik dostarczy Ci mapy i kompasu. Używaj Balanset-1A nie tylko do „leczenia” objawów poprzez równoważenie, ale także do stawiania trafnej „diagnozy”. Takie podejście pozwoli Ci znacznie zwiększyć niezawodność Twojego sprzętu, zmniejszyć liczbę awaryjnych wyłączeń i przejść na jakościowo nowy poziom konserwacji.