Zrozumienie drgań promieniowych w maszynach wirujących
Definicja: Czym są drgania promieniowe?
Wibracje promieniowe Drgania promieniowe to ruch obracającego się wału prostopadle do jego osi obrotu, rozchodzącego się na zewnątrz od środka niczym promienie okręgu. Termin “promieniowy” odnosi się do dowolnego kierunku rozchodzącego się promieniście od osi wału, obejmującego zarówno ruch poziomy (na boki), jak i pionowy (w górę i w dół). Drgania promieniowe są synonimem drgania boczne lub drgania poprzeczne i stanowią najczęściej mierzoną i monitorowaną formę drgań wibracja w maszynach wirujących.
W zastosowaniach praktycznych drgania promieniowe mierzy się zazwyczaj w dwóch prostopadłych kierunkach — poziomym i pionowym — w każdym miejscu łożyska, co pozwala uzyskać pełny obraz ruchu wału prostopadle do jego osi.
Instrukcje pomiaru
Poziome drgania promieniowe
Drgania poziome mierzy się w kierunku bocznym:
- Prostopadle do osi wału i równolegle do podłoża/podłogi
- Często jest to najbardziej dostępne miejsce pomiaru
- Zwykle pokazuje wpływ grawitacji, asymetrii sztywności fundamentów i funkcji sił poziomych
- Standardowa orientacja pomiaru dla większości programów monitorowania drgań
Pionowe drgania promieniowe
Drgania pionowe mierzy się w kierunku góra-dół:
- Prostopadle do osi wału i prostopadle do podłoża/podłogi
- Wpływ grawitacji i ciężaru wirnika
- Często większa amplituda niż w poziomie ze względu na masę wirnika powodującą asymetryczną sztywność
- Krytyczne dla wykrywania problemów w maszynach o orientacji pionowej (pompy pionowe, silniki)
Całkowite drgania promieniowe
Całkowite drgania promieniowe można obliczyć jako sumę wektorową składowych poziomych i pionowych:
- Suma promieniowa = √(pozioma² + pionowa²)
- Reprezentuje rzeczywistą wielkość ruchu niezależnie od kierunku
- Przydatne do oceny stopnia nasilenia na podstawie pojedynczych liczb
Główne przyczyny drgań promieniowych
Drgania promieniowe powstają w wyniku działania sił prostopadłych do osi wału:
1. Brak równowagi (główna przyczyna)
Brak równowagi jest najczęstszym źródłem drgań promieniowych w maszynach obrotowych:
- Tworzy siłę odśrodkową obracającą się z prędkością wału (1X)
- Wielkość siły proporcjonalna do masy niewyważenia, promienia i kwadratu prędkości
- Tworzy kształt okrągły lub eliptyczny orbita wału
- Można to skorygować poprzez równoważenie procedury
2. Niewspółosiowość
Niewspółosiowość wału pomiędzy sprzężonymi maszynami tworzy zarówno promieniowe, jak i drgania osiowe:
- Głównie 2X (dwa razy na obrót) drgania promieniowe
- Generuje również harmoniczne 1X, 3X i wyższe
- Wysokie drgania osiowe towarzyszą drganiom promieniowym
- Relacje fazowe między łożyskami diagnostycznymi w przypadku niewspółosiowości
3. Wady mechaniczne
Różne problemy mechaniczne powodują charakterystyczne wzory drgań promieniowych:
- Wady łożysk: Uderzenia o wysokiej częstotliwości przy częstotliwościach uszkodzeń łożysk
- Wygięty lub wygięty wał: 1X wibracje podobne do braku równowagi, ale obecne nawet przy powolnym toczeniu
- Rozluźnienie: Wiele harmonicznych (1X, 2X, 3X) o zachowaniu nieliniowym
- Spękanie: Wibracje 1X i 2X ze zmianami podczas uruchamiania/wyłączania
- Pocieranie: Komponenty podsynchroniczne i synchroniczne
4. Siły aerodynamiczne i hydrauliczne
Siły procesowe w pompach, wentylatorach i sprężarkach tworzą wymuszenie promieniowe:
- Częstotliwość przechodzenia łopatek (liczba łopatek × obr./min)
- Nierównowaga hydrauliczna spowodowana asymetrycznym przepływem
- Odrywanie się wirów i turbulencje przepływu
- Recyrkulacja i praca poza projektem
5. Warunki rezonansu
Podczas pracy w pobliżu prędkości krytyczne, drgania promieniowe ulegają drastycznemu wzmocnieniu:
- Częstotliwość naturalna pokrywa się z częstotliwością wymuszającą
- Amplituda ograniczona tylko przez system tłumienie
- Możliwość wystąpienia katastrofalnych poziomów wibracji
- Wymaga odpowiednich marginesów separacji w projekcie
Normy i parametry pomiarowe
Jednostki miary
Drgania promieniowe można wyrazić za pomocą trzech powiązanych parametrów:
- Przemieszczenie: Rzeczywista odległość ruchu (mikrometry, µm, mils). Stosowana do pomiarów maszyn wolnoobrotowych i sond zbliżeniowych.
- Prędkość: Szybkość zmiany przemieszczenia (mm/s, cale/s). Najczęściej stosowana w maszynach ogólnego przeznaczenia, podstawa norm ISO.
- Przyśpieszenie: Szybkość zmiany prędkości (m/s², g). Stosowana do pomiarów wysokiej częstotliwości i wykrywania usterek łożysk.
Międzynarodowe standardy
Normy serii ISO 20816 określają limity intensywności drgań promieniowych:
- ISO 20816-1: Ogólne wytyczne dotyczące oceny drgań maszyn
- ISO 20816-3: Kryteria szczegółowe dla maszyn przemysłowych > 15 kW
- Strefy zagrożenia: A (dobry), B (akceptowalny), C (niezadowalający), D (nieakceptowalny)
- Miejsce pomiaru: Zwykle na obudowach łożysk w kierunkach promieniowych
Normy branżowe
- API 610: Granice drgań promieniowych pomp odśrodkowych
- API 617: Kryteria drgań sprężarek odśrodkowych
- API 684: Procedury analizy dynamiki wirnika do przewidywania drgań promieniowych
- NEMA MG-1: Granice drgań silnika elektrycznego
Techniki monitorowania i diagnostyki
Rutynowe monitorowanie
Standardowe programy monitorowania drgań mierzą drgania promieniowe:
- Kolekcja oparta na trasach: Pomiary okresowe w stałych odstępach czasu (miesięczny, kwartalny)
- Ogólny poziom trendu: Śledź całkowitą amplitudę drgań w czasie
- Granice alarmowe: Zestaw oparty na normach ISO lub normach dotyczących konkretnego sprzętu
- Porównanie: Obecny i bazowy, poziomy i pionowy
Zaawansowana analiza
Szczegółowa analiza drgań promieniowych dostarcza informacji diagnostycznych:
- Analiza FFT: Widmo częstotliwości pokazujące składowe drgań
- Przebieg czasu: Sygnał wibracyjny w czasie ujawniający stany przejściowe i modulacje
- Analiza fazowa: Relacje czasowe między punktami pomiarowymi
- Analiza orbity: Wzory ruchu osi środkowej wału
- Analiza koperty: Demodulacja wysokoczęstotliwościowa do wykrywania usterek łożysk
Ciągły monitoring
Sprzęt krytyczny często podlega stałemu monitorowaniu drgań promieniowych:
- Sondy zbliżeniowe do bezpośredniego pomiaru ruchu wału
- Akcelerometry zamontowane na stałe na obudowach łożysk
- Trendy i alarmy w czasie rzeczywistym
- Integracja automatycznego systemu ochrony
Różnice poziome i pionowe
Typowe zależności amplitudowe
W wielu maszynach drgania pionowe promieniowe przewyższają drgania poziome:
- Efekt grawitacji: Ciężar wirnika powoduje ugięcie statyczne, co wpływa na sztywność pionową
- Sztywność asymetryczna: Fundamenty i konstrukcje wsporcze są często sztywniejsze w poziomie
- Typowy stosunek: Wibracje pionowe 1,5-2× poziome są powszechne
- Efekt ciężaru wyważającego: Ciężarki korekcyjne umieszczone na dole wirnika (łatwy dostęp) w sposób priorytetowy redukują drgania pionowe
Różnice diagnostyczne
- Brak równowagi: Może być silniej widoczny w jednym kierunku, w zależności od lokalizacji braku równowagi
- Rozluźnienie: Często wykazuje nieliniowość, bardziej widoczną w kierunku pionowym
- Kwestie fundacyjne: Drgania pionowe są bardziej wrażliwe na degradację fundamentów
- Niewspółosiowość: Może wyglądać inaczej w poziomie i w pionie w zależności od rodzaju odchylenia
Związek z dynamiką wirnika
Wibracje promieniowe są kluczowe dla dynamika wirnika analiza:
Prędkości krytyczne
- Określają częstotliwości naturalne promieniowe prędkości krytyczne
- Pierwsza prędkość krytyczna zwykle odpowiada pierwszemu trybowi gięcia promieniowego
- Diagramy Campbella przewidzieć zachowanie drgań promieniowych w funkcji prędkości
- Marginesy separacji od prędkości krytycznych zapobiegają nadmiernym drganiom promieniowym
Kształty modów
- Każdy tryb drgań promieniowych ma charakterystyczny kształt ugięcia
- Pierwszy tryb: proste gięcie łukowe
- Drugi tryb: krzywa S z punktem węzłowym
- Wyższe tryby: coraz bardziej złożone wzorce
Rozważania dotyczące równowagi
- Wyważanie ma na celu redukcję drgań promieniowych przy częstotliwości 1X
- Współczynniki wpływu powiązać ciężarki korekcyjne ze zmianami drgań promieniowych
- Optymalne położenie płaszczyzny korekcji na podstawie kształtów modów promieniowych
Metody korekcji i kontroli
W przypadku braku równowagi
- Równoważenie pola za pomocą przenośnych analizatorów
- Jednopłatowy lub wyważanie dwupłaszczyznowe procedury
- Precyzyjne wyważanie warsztatowe krytycznych komponentów
W przypadku problemów mechanicznych
- Precyzyjne ustawienie w celu skorygowania niewspółosiowości
- Wymiana łożysk w przypadku ich uszkodzenia
- Dokręcanie luźnych elementów
- Naprawa fundamentów w przypadku problemów konstrukcyjnych
- Prostowanie lub wymiana wałów wygiętych
W przypadku problemów z rezonansem
- Zmiany prędkości w celu uniknięcia krytycznych zakresów prędkości
- Modyfikacje sztywności (zmiany średnicy wału, położenia łożyska)
- Ulepszenia tłumienia (tłumiki z folią ściskaną, dobór łożysk)
- Zmiany masowe w celu przesunięcia częstotliwości naturalnych
Znaczenie w konserwacji predykcyjnej
Monitorowanie drgań promieniowych stanowi podstawę programów konserwacji predykcyjnej:
- Wczesne wykrywanie usterek: Zmiany w drganiach promieniowych poprzedzają awarie o tygodnie lub miesiące
- Popularne: Stopniowe wzrosty wskazują na rozwijające się problemy
- Diagnostyka usterek: Zawartość częstotliwości identyfikuje konkretne typy usterek
- Ocena powagi: Amplituda wskazuje na powagę i pilność problemu
- Harmonogram konserwacji: Konserwacja oparta na stanie, a nie na czasie
- Oszczędności kosztów: Zapobiega katastrofalnym awariom i optymalizuje odstępy między przeglądami
Drgania promieniowe, będące podstawowym pomiarem drgań w maszynach obrotowych, dostarczają istotnych informacji o stanie urządzenia. Są niezbędne do zapewnienia niezawodnej, bezpiecznej i wydajnej pracy przemysłowych urządzeń obrotowych.
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 