Zrozumienie drgań osiowych w maszynach wirujących
Drgania osiowe (zwane również drganiami wzdłużnymi lub osiowymi) to ruch posuwisto-zwrotny wirnik w kierunku równoległym do jego osi obrotu. Gdzie drgania boczne ruch poprzeczny to ruch prostopadły do osi wału, natomiast drgania osiowe to ruch wału wzdłuż jego długości, podobnie jak w przypadku tłoka. Ich amplituda jest zazwyczaj mniejsza niż drgania promieniowe, a jednak ma duże znaczenie diagnostyczne w przypadku konkretnej grupy usterek — przede wszystkim niewspółosiowość, łożysko oporowe problemy oraz kwestie związane z procesami w pompach i sprężarkach. Doświadczony analityk traktuje to jako nieodzowny, a nie opcjonalny element kompletnego zestawu pomiarowego.
1. Charakterystyka i pomiary
Kierunek i ruch
Drgania osiowe występują wzdłuż osi środkowej wału:
- Ruch przebiega równolegle do osi obrotu.
- Wirnik porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym.
- Zazwyczaj mierzy się go na obudowach łożysk lub na końcach wałów.
- Jej amplituda jest zazwyczaj mniejsza niż w przypadku drgań promieniowych, ale gdy występuje, ma znacznie większe znaczenie diagnostyczne.
Konfiguracja pomiaru
Rejestracja ruchu osiowego wymaga przemyślanego rozmieszczenia czujników:
- Orientacja czujnika: i akcelerometr lub przetwornik prędkości zamontowany równolegle do osi wału.
- Typowe lokalizacje: pokrywy obudowy łożyska, pokrywy silnika lub obudowy łożyska oporowego.
- Czujniki zbliżeniowe: a sonda zbliżeniowa umieszczony naprzeciwko końca wału może bezpośrednio mierzyć położenie osiowe.
- Znaczenie: Często pomijany, ale kluczowy dla pełnej diagnostyki maszyn
2. Główne przyczyny drgań osiowych
Niewspółosiowość — najczęstsza przyczyna
Niewspółosiowość wału, a w szczególności niewspółosiowość, jest główną przyczyną drgań osiowych:
- Objaw: wysokie drgania osiowe o amplitudzie 1× lub 2× przy prędkości roboczej.
- Mechanizm: Przesunięcie kątowe między połączonymi wałami powoduje, że przy każdym obrocie przez sprzęgło przenoszona jest oscylacyjna siła osiowa.
- Wskaźnik diagnostyczny: Amplituda osiowa większa niż 50% amplitudy promieniowej wyraźnie wskazuje na niewspółosiowość.
- Relacja fazowa: Wartości osiowe na końcu napędowym i nienapędowym różnią się zazwyczaj o około 180° przesunięcia fazowego faza.
Wady łożysk oporowych
Problemy z łożysko oporowe które ustalają położenie osiowe wału, powodują charakterystyczne drgania osiowe:
- Zużycie lub uszkodzenie łożyska oporowego.
- Niewystarczająca nośność łożyska oporowego obciążenie wstępne.
- Awaria łożyska oporowego powodująca nadmierny luz osiowy.
- Problemy związane ze smarowaniem charakterystyczne dla powierzchni oporowych.
Siły hydrauliczne lub aerodynamiczne
Siły robocze występujące w pompach, sprężarkach i turbinach powodują obciążenia osiowe:
- Pompa kawitacja: Pękające pęcherzyki pary powodują powstanie osiowych sił uderzeniowych.
- Niewyważenie wirnika: Przepływ asymetryczny powoduje powstawanie oscylującego nacisku osiowego.
- Zawirowania w przepływie osiowym: w sprężarkach osiowych i turbinach.
- Pompowanie sprężarki: Zjawisko pulsacji sprężarki powoduje gwałtowne drgania osiowe.
- Recyrkulacja: praca w warunkach odbiegających od projektowych, która powoduje niestabilność przepływu.
Luz mechaniczny
Zbyt duże luzy powodują osiowe przemieszczanie się wirnika:
- Zużyte powierzchnie łożysk oporowych.
- Poluzowane elementy sprzęgła.
- Niewystarczające unieruchomienie osiowe w układzie łożyskowym.
- Zużyte podkładki dystansowe lub regulacyjne.
Problemy ze sprzęgłem
Zużycie złącza lub nieprawidłowy montaż powodują drgania osiowe:
- Zużyte zęby sprzęgła zębatego powodujące luz osiowy.
- Nieprawidłowo zainstalowane elastyczne sprzęgła.
- Błędy długości wkładki dystansowej sprzęgła.
- Kąty przegubu uniwersalnego powodujące powstawanie składowych siły osiowej.
Problemy związane z rozszerzalnością cieplną
Różnice w rozszerzalności cieplnej mogą powodować powstawanie sił osiowych:
- Rozszerzalność cieplna rur wywierająca nacisk na urządzenia lub je rozciągająca.
- Nierównomierne odkształcenie cieplne między połączonymi maszynami.
- Osiadanie fundamentów, które zakłóca osiowe wyrównanie.
3. Znaczenie diagnostyczne
Diagnozowanie nieprawidłowego ustawienia
Drgania osiowe są najlepszym wskaźnikiem niewspółosiowości:
- Praktyczna zasada: jeśli drgania osiowe przekraczają 50% drgań promieniowych, należy podejrzewać niewspółosiowość.
- Skład częstotliwościowy: głównie 2× w przypadku niewyosiowania równoległego; zarówno 1×, jak i 2× w przypadku niewyosiowania kątowego.
- Analiza fazowa: Różnica fazowa wynosząca 180° między odczytami osiowymi na przeciwległych końcach potwierdza niewspółosiowość.
- Potwierdzenie: silne drgania osiowe, które gwałtownie słabną po precyzyjnym wyważeniu wyrównanie wałów potwierdza diagnozę.
Diagnostyka pomp i sprężarek
W przypadku urządzeń obrotowych służących do transportu cieczy:
- Kawitacja: wysokoczęstotliwościowe, losowe, szerokopasmowe drgania osiowe.
- Nierównowaga hydrauliczna: 1× drgania osiowe spowodowane asymetrycznym obciążeniem wirnika.
- Pompaż: oscylacje osiowe o dużej amplitudzie i niskiej częstotliwości.
- Częstotliwość przejścia łopatek: Składowa osiowa przy częstotliwościach przejścia łopatek wskazuje na problemy z przepływem.
Ocena stanu łożysk
- Nagły wzrost drgań osiowych może wskazywać na zużycie łożyska oporowego.
- Drgania osiowe przy częstotliwościach charakterystycznych dla uszkodzeń łożyska oporowego wskazują na problem z łożyskiem.
- Nadmierny luz osiowy mierzony sondami zbliżeniowymi wskazuje na zużycie łożyska
4. Dopuszczalne poziomy i normy
Ogólne wytyczne
Ogólne normy dotyczące drgań maszyn — nowoczesne ISO 20816 seria, która zastąpiła normę ISO 10816 — skupia się głównie na drganiach promieniowych, dlatego wartości graniczne drgań osiowych są zazwyczaj określane w odniesieniu do niej:
- W odniesieniu do promieniowego: W normalnych warunkach drgania osiowe powinny nie przekraczać 50% drgań promieniowych.
- Wartości graniczne: zazwyczaj 25–50% granicznej wartości drgań w kierunku promieniowym dla danej klasy maszyn.
- Porównanie z wartościami wyjściowymi: wzrost o 50–100% w stosunku do linia bazowa wymaga zbadania, niezależnie od wartości bezwzględnej.
Normy dotyczące konkretnego sprzętu
- API 610 (pompy odśrodkowe): określa zarówno graniczne wartości drgań promieniowych, jak i osiowych.
- API 617 (sprężarki odśrodkowe): obejmuje kryteria dopuszczalności drgań osiowych.
- Maszyny turbinowe: często monitorowane w trybie ciągłym za pomocą specjalnych czujników położenia osiowego i drgań osiowych, często w celu API 670 praktyka w zakresie zabezpieczania maszyn.
5. Metody korekcji i łagodzenia drgań
W przypadku niewspółosiowości
- Precyzyjne wyrównanie wałów: używać laserowych narzędzi do wyrównywania w celu skorygowania niewspółosiowości kątowej i równoległej.
- Korekcja miękkiego podparcia: przed wyrównaniem upewnij się, że wszystkie nóżki montażowe stoją płasko — patrz miękka stopa.
- Uwzględnianie rozszerzalności cieplnej: przy ustalaniu docelowych wartości wyrównania na zimno należy uwzględnić rozszerzalność termiczną w temperaturze roboczej.
- Redukcja naprężeń od rurociągów: wyeliminować siły od rurociągów działające na urządzenia, które powodują rozregulowanie ich ustawienia.
W przypadku problemów z łożyskami oporowymi
- Wymień zużyte elementy łożyska oporowego.
- Sprawdź prawidłowe napięcie wstępne łożyska oporowego oraz luz.
- Należy zapewnić odpowiednie smarowanie powierzchni oporowych.
- Sprawdź, czy montaż i podkładki wyrównujące są prawidłowe.
W przypadku sił osiowych związanych z procesem
- Wyeliminuj kawitację: zwiększyć ciśnienie na wlocie, obniżyć temperaturę płynu, usunąć zatory na wlocie.
- Zoptymalizuj punkt pracy: należy eksploatować pompy i sprężarki w zakresie parametrów znamionowych.
- Równoważenie sił hydraulicznych: należy stosować otwory wyważające lub łopatki tylne w wirnikach.
- Sterowanie antypompażowe: zapewnić skuteczne zabezpieczenie sprężarek przed pompażem.
W przypadku problemów technicznych
- Wymień zużyte sprzęgła i elementy sprzęgieł.
- Dokręć poluzowane połączenia mechaniczne.
- Sprawdź, czy wymiary podkładek dystansowych i wyrównujących są prawidłowe.
- Zamontować sprzęgła zgodnie z instrukcją producenta.
6. Najlepsze praktyki w zakresie pomiarów
Instalacja czujnika
- Mocne mocowanie: w miarę możliwości w przypadku pomiarów osiowych lepiej stosować kołki lub klej zamiast magnesów — patrz montaż czujnika.
- Sprawdź orientację: upewnij się, że czujnik jest rzeczywiście ustawiony równolegle do osi wału, a nie nachylony pod kątem.
- Oba końce: należy zmierzyć drgania osiowe zarówno po stronie napędowej, jak i po stronie nienapędowej, aby można było porównać fazy.
- Czujniki zbliżeniowe: w przypadku urządzeń o znaczeniu krytycznym należy zainstalować stałe czujniki położenia osiowego.
Zbieranie danych
- Zawsze należy rejestrować dane osiowe wraz z pomiarami promieniowymi w kierunku poziomym i pionowym.
- Zarejestruj relację fazową między odczytami osiowymi w różnych punktach.
- Porównaj stosunki amplitud osiowych do promieniowych.
- Trend drgania osiowe w czasie, aby wcześnie wykrywać pojawiające się problemy.
7. Drgania osiowe a drgania promieniowe
Rozróżnienie tych dwóch kierunków ma kluczowe znaczenie dla identyfikacji usterek:
| Aspekt | Drgania promieniowe (boczne) | Drgania osiowe |
|---|---|---|
| Kierunek | Prostopadle do osi wału | Równolegle do osi wału |
| Typowa amplituda | Wyższy | Niższy (zwykle < 50% amplitudy promieniowej) |
| Podstawowe przyczyny | Niewyważenie, wygięty wał, wady łożysk | Niewspółosiowość, problemy z łożyskami osiowymi, siły procesowe |
| Wartość diagnostyczna | Ogólny stan maszyn | Dotyczy problemów z niewspółosiowością i łożyskami oporowymi |
| Priorytet monitorowania | Główny cel | Drugorzędne, ale krytyczne dla diagnozy |
8. Praktyczna diagnostyka w terenie
W terenie decydująca próba wibracji osiowych ma charakter porównawczy: należy odczytać amplitudę i fazę w kierunku osiowym na obu końcach łożyska i porównać je z odczytami promieniowymi. Przenośny dwukanałowy analizator drgań takich jak Balanset-1A doskonale się do tego nadaje, ponieważ jego dwa kanały mogą jednocześnie rejestrować sygnał z obu końców za pomocą wspólnego tachometr odniesienie fazowe — wskazujące charakterystyczne przesunięcie fazowe o 180° w osi, wynikające z niewspółosiowości, oraz współczynnik 1×/2× harmoniczna wzór w FFT widmo, natychmiast widoczne. To samo porównanie pozwala uniknąć kosztownego błędu: wysokie drgania promieniowe 1× łatwo przypisuje się niewyważenie, ale silna składowa osiowa wskazuje raczej na niewspółosiowość, którą nie da się wyeliminować żadnymi równoważenie to rozwiąże problem. Sprawdzenie kierunku dominującego ruchu przed sięgnięciem po obciążniki próbne stanowi różnicę między trwałym naprawieniem a zmarnowanym popołudniem.
9. Zastosowania przemysłowe
Monitorowanie drgań osiowych jest szczególnie przydatne w przypadku:
- Pompy odśrodkowe: wykrywanie sił hydraulicznych i kawitacji.
- Sprężarki: monitorowanie łożysk oporowych i wykrywanie przeskoków.
- Turbiny: siły osiowe działające na łopatki oraz stan łożyska oporowego.
- Urządzenia połączone: weryfikacja wyosiowania i stanu sprzęgła.
- Urządzenia technologiczne: monitorowanie warunków przepływu.
Chociaż drgania osiowe często pozostają w cieniu bardziej widocznego sygnału promieniowego, doświadczeni analitycy cenią ich wartość diagnostyczną. Bardzo wiele usterek, które umknęłyby przy pomiarach wyłącznie promieniowych, wychodzi na jaw dzięki przebiegowi osiowemu — i właśnie dlatego dokładna monitorowanie stanu program zawsze obejmuje pomiary we wszystkich trzech kierunkach.
