Zrozumienie drgań osiowych w maszynach wirujących
Definicja: Czym są drgania osiowe?
Drgania osiowe (nazywane również drganiami podłużnymi lub drganiami pędnymi) to ruch posuwisto-zwrotny wirnik w kierunku równoległym do osi obrotu. W przeciwieństwie do drgania boczne czyli ruch na boki prostopadły do wału; drgania osiowe oznaczają ruch wału do wewnątrz i na zewnątrz wzdłuż jego długości, podobnie jak ruch tłoka.
Chociaż amplituda drgań osiowych jest zazwyczaj niższa niż wibracji bocznych, drgania osiowe są bardzo istotne diagnostycznie w przypadku niektórych typów usterek maszyn, szczególnie niewspółosiowość, problemy z łożyskami oporowymi oraz zagadnienia związane z procesem w pompach i sprężarkach.
Charakterystyka i pomiary
Kierunek i ruch
Drgania osiowe występują wzdłuż osi środkowej wału:
- Ruch jest równoległy do osi obrotu wału
- Wirnik porusza się tam i z powrotem, wykonując ruch posuwisto-zwrotny
- Zwykle mierzone w obudowach łożysk lub na końcach wału
- Amplituda zwykle mniejsza niż drgania promieniowe, ale bardzo istotna diagnostycznie
Konfiguracja pomiaru
Drgania osiowe wymagają specjalnego montażu czujnika:
- Orientacja czujnika: Przetwornik akcelerometru lub prędkości zamontowany równolegle do osi wału
- Typowe lokalizacje: Na pokrywach końcowych obudów łożysk, dzwonach końcowych silników lub obudowach łożysk oporowych
- Sondy zbliżeniowe: Możliwość bezpośredniego pomiaru położenia osiowego po zamontowaniu naprzeciwko powierzchni końcowej wału
- Znaczenie: Często pomijany, ale kluczowy dla pełnej diagnostyki maszyn
Główne przyczyny drgań osiowych
1. Niewspółosiowość (najczęstsza przyczyna)
Niewspółosiowość wału, a w szczególności odchylenie kątowe, jest główną przyczyną drgań osiowych:
- Objaw: Wysokie drgania osiowe 1X lub 2X przy prędkości biegu
- Mechanizm: Przesunięcie kątowe pomiędzy sprzężonymi wałami powoduje powstawanie oscylujących sił osiowych przekazywanych przez sprzęgło
- Wskaźnik diagnostyczny: Amplituda drgań osiowych > 50% drgań promieniowych silnie wskazuje na brak współosiowości
- Zależność fazowa: Drgania osiowe po stronie napędowej i nienapędowej, zwykle przesunięte w fazie o 180°
2. Wady łożyska oporowego
Problemy z łożyskami oporowymi, które kontrolują położenie osiowe wału, powodują charakterystyczne drgania osiowe:
- Zużycie lub uszkodzenie łożyska oporowego
- Niewystarczające napięcie wstępne łożyska oporowego
- Uszkodzenie łożyska oporowego powodujące nadmierny luz osiowy
- Problemy ze smarowaniem specyficzne dla łożysk oporowych
3. Siły hydrauliczne lub aerodynamiczne
Siły procesowe w pompach, sprężarkach i turbinach wytwarzają siły osiowe:
- Kawitacja pompy: Zapadanie się pęcherzyków pary powoduje osiowe siły uderzeniowe
- Niewyważenie wirnika: Przepływ asymetryczny powoduje oscylujący nacisk osiowy
- Turbulencja przepływu osiowego: W sprężarkach osiowych i turbinach
- Wzbierający: Skok ciśnienia w sprężarce powoduje gwałtowne drgania osiowe
- Recyrkulacja: Nieprawidłowa eksploatacja powodująca niestabilność przepływu
4. Luz mechaniczny
Nadmierne luzy umożliwiają ruch osiowy:
- Zużyte powierzchnie łożysk oporowych
- Luźne elementy sprzęgające
- Niewystarczające ograniczenie osiowe w konstrukcji łożyska
- Zużyte dystanse lub podkładki
5. Problemy ze sprzęganiem
Zużycie sprzęgła lub jego nieprawidłowy montaż powoduje drgania osiowe:
- Zużyte zęby sprzęgła zębatego umożliwiające luz osiowy
- Nieprawidłowo zamontowane sprzęgła elastyczne
- Błędy długości dystansu sprzęgającego
- Kąty przegubów uniwersalnych tworzące składowe siły osiowej
6. Problemy związane ze wzrostem temperatury
Różnicowa rozszerzalność cieplna może powodować siły osiowe:
- Rozszerzalność cieplna rurociągów podczas pchania/ciągnięcia na sprzęcie
- Nierównomierny wzrost temperatury między sprzężonymi maszynami
- Osiadanie fundamentów wpływające na wyrównanie osiowe
Znaczenie diagnostyczne
Diagnostyka nieprawidłowego ustawienia
Drgania osiowe są kluczowym wskaźnikiem diagnozowania niewspółosiowości:
- Praktyczna zasada: Jeżeli drgania osiowe przekraczają 50% drgań promieniowych, należy podejrzewać niewspółosiowość
- Treść częstotliwości: Przeważnie 2X w przypadku przesunięcia równoległego; 1X i 2X w przypadku przesunięcia kątowego
- Analiza fazowa: Różnica faz wynosząca 180° między pomiarami osiowymi na przeciwległych końcach potwierdza brak współosiowości
- Potwierdzenie: Wysokie drgania osiowe, które znacząco się zmniejszają po precyzyjnym ustawieniu potwierdzającym diagnozę
Diagnostyka pomp i sprężarek
W przypadku urządzeń obrotowych obsługujących płyny:
- Kawitacja: Wysokoczęstotliwościowe, losowe drgania osiowe o charakterystyce szerokopasmowej
- Nierównowaga hydrauliczna: 1X drgania osiowe spowodowane asymetrycznym obciążeniem wirnika
- Wzrost: Duża amplituda, niska częstotliwość drgań osiowych
- Częstotliwość przejść łopatek: Składowa osiowa przy częstotliwości przechodzenia łopatki wskazuje na problemy z przepływem
Ocena stanu łożysk
- Nagły wzrost drgań osiowych może wskazywać na zużycie łożyska oporowego
- Drgania osiowe z częstotliwościami defektów łożyska oporowego potwierdzają problem z łożyskiem
- Nadmierny luz osiowy mierzony sondami zbliżeniowymi wskazuje na zużycie łożyska
Dopuszczalne poziomy i standardy
Ogólne wytyczne
Podczas gdy normy takie jak ISO 20816 dotyczą przede wszystkim drgań promieniowych, dopuszczalne wartości drgań osiowych są zazwyczaj wyrażane w następujący sposób:
- W stosunku do promieniowego: Osiowy powinien być < 50% drgań promieniowych w warunkach normalnych
- Granice absolutne: Typowo 25-50% granic drgań promieniowych dla klasy maszyn
- Porównanie bazowe: Wzrosty o 50-100% w porównaniu z badaniem nakazu bazowego
Normy dotyczące konkretnego sprzętu
- API 610 (Pompy odśrodkowe): Określa limity drgań promieniowych i osiowych
- API 617 (sprężarki odśrodkowe): Obejmuje kryteria akceptacji drgań osiowych
- Maszyny turbinowe: Często monitorowane w sposób ciągły za pomocą czujników położenia osiowego i drgań
Metody korekcji i łagodzenia
W przypadku niewspółosiowości
- Precyzyjne ustawianie wałów: Użyj narzędzi do ustawiania laserowego, aby skorygować odchylenia kątowe i równoległe
- Korekcja miękkiej stopy: Przed wyrównaniem upewnij się, że wszystkie nóżki montażowe są ustawione płasko
- Uwzględnienie wzrostu termicznego: Należy wziąć pod uwagę rozszerzalność temperaturową podczas pracy w układzie wyrównawczym
- Odciążenie rur: Wyeliminuj siły w rurociągach, które powodują utratę wyrównania sprzętu
W przypadku problemów z łożyskiem oporowym
- Wymień zużyte elementy łożyska oporowego
- Sprawdź prawidłowe napięcie wstępne i luzy łożysk oporowych
- Zapewnij odpowiednie smarowanie powierzchni łożysk oporowych
- Sprawdź poprawność montażu łożyska oporowego i podkładek
W przypadku sił osiowych związanych z procesem
- Eliminacja kawitacji: Zwiększ ciśnienie wlotowe, zmniejsz temperaturę płynu, sprawdź, czy wlot nie jest zablokowany
- Zoptymalizuj punkt operacyjny: Eksploatować pompy i sprężarki w zakresie projektowym
- Zrównoważenie sił hydraulicznych: Użyj otworów wyrównoważających lub tylnych łopatek na wirnikach
- Kontrola przeciwprzepięciowa: Wdrożenie skutecznej ochrony przed przepięciami dla sprężarek
W przypadku problemów mechanicznych
- Wymień zużyte sprzęgła i elementy sprzęgieł
- Dokręć luźne połączenia mechaniczne
- Sprawdź poprawność wymiarów podkładek dystansowych i podkładek
- Zapewnij prawidłowy montaż sprzęgła zgodnie ze specyfikacją producenta
Najlepsze praktyki pomiarowe
Instalacja czujnika
- Mocne mocowanie: Jeśli to możliwe, do pomiarów osiowych należy używać kołków lub kleju zamiast magnesów
- Sprawdź orientację: Upewnij się, że czujnik jest rzeczywiście równoległy do osi wału (a nie pod kątem)
- Oba końce: Zmierz drgania osiowe po obu stronach, napędowej i nienapędowej, w celu porównania faz
- Sondy zbliżeniowe: W przypadku urządzeń krytycznych należy zainstalować stałe czujniki położenia osiowego
Zbieranie danych
- Zawsze zbieraj dane osiowe wraz z pomiarami promieniowymi poziomymi i pionowymi
- Rejestrowanie zależności fazowych pomiędzy pomiarami osiowymi w różnych lokalizacjach
- Porównaj stosunki amplitudy osiowej do promieniowej
- Monitoruj trendy drgań osiowych w czasie, aby wykryć rozwijające się problemy
Porównanie drgań osiowych i promieniowych
Kluczowe różnice
| Aspekt | Wibracje promieniowe (boczne) | Wibracje osiowe |
|---|---|---|
| Kierunek | Prostopadle do osi wału | Równolegle do osi wału |
| Typowa amplituda | Wyższy | Niższy (zwykle < 50% promieniowego) |
| Przyczyny pierwotne | Niewyważenie, wygięty wał, wady łożysk | Niewspółosiowość, problemy z łożyskami oporowymi, siły procesowe |
| Wartość diagnostyczna | Ogólny stan maszyn | Dotyczy problemów z niewspółosiowością i oporem |
| Priorytet monitorowania | Główny cel | Drugorzędne, ale krytyczne dla diagnozy |
Zastosowania przemysłowe
Monitorowanie drgań osiowych jest szczególnie istotne w przypadku:
- Pompy odśrodkowe: Siły hydrauliczne i wykrywanie kawitacji
- Sprężarki: Monitorowanie łożysk oporowych i wykrywanie przepięć
- Turbiny: Siły osiowe łopatek turbiny i stan łożyska oporowego
- Sprzęt sprzężony: Weryfikacja ustawienia i stan sprzężenia
- Sprzęt procesowy: Monitorowanie stanu przepływu
Chociaż drgania osiowe często pozostają w cieniu bardziej widocznych drgań promieniowych, doświadczeni analitycy drgań dostrzegają ich kluczową wartość diagnostyczną. Wiele problemów z maszynami, które mogłyby zostać przeoczone przy badaniu samych drgań promieniowych, jest wyraźnie widocznych dzięki wzorcom drgań osiowych, co czyni je niezbędnym elementem kompleksowych programów monitorowania stanu maszyn.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 