Zrozumienie drgań promieniowych w maszynach wirujących
Drgania promieniowe to ruch obracającego się wału prostopadły do jego osi obrotu, rozchodzący się na zewnątrz od środka niczym szprychy koła. Termin „promieniowy” obejmuje każdy kierunek odchodzący od osi wału, a zatem obejmuje zarówno ruch poziomy (na boki), jak i pionowy (w górę i w dół). Jest to ta sama wielkość, którą inżynierowie nazywają drgania boczne lub drgania poprzeczne, i jest to zdecydowanie najczęściej mierzona i analizowana forma wibracja w maszynach wirujących — jest to pierwsza wartość, na którą zwraca uwagę technik ds. niezawodności, a także ta, wokół której opiera się większość międzynarodowych norm. W praktyce mierzy się ją w dwóch prostopadłych kierunkach przy każdym łożysku, co pozwala odtworzyć pełną trajektorię ruchu wału w przestrzeni.
1. Definicja i kierunki pomiarów
Ponieważ wał może poruszać się w dowolnym kierunku w płaszczyźnie prostopadłej do swojej osi, jeden czujnik nigdy nie daje pełnego obrazu sytuacji. Dwie sondy zamontowane pod kątem 90° względem siebie przy każdym łożysku rejestrują pełny obraz odchylenia promieniowego, a ich odczyty są zazwyczaj przedstawiane zarówno osobno, jak i łącznie.
Poziome drgania promieniowe
Drgania poziome to ruch wału na boki:
- Prostopadle do osi wału i równolegle do podłogi.
- Często jest to najłatwiej dostępny punkt pomiarowy w maszynie poziomej.
- Uwzględnia grawitację, asymetrię sztywności fundamentów oraz poziome wymuszenia.
- Standardowa orientacja pomiarowa stosowana w większości rutynowych programów monitorowania.
Pionowe drgania promieniowe
Drgania pionowe to ruch wału w górę i w dół:
- Prostopadle do osi wału i prostopadle do podłogi.
- Bezpośrednio pod wpływem grawitacji i ciężaru własnego wirnika.
- Często ma większą amplitudę niż drgania poziome, ponieważ ciężar wirnika powoduje asymetryczną sztywność podparcia.
- Ma to kluczowe znaczenie przy diagnozowaniu maszyn ustawionych pionowo, takich jak pompy pionowe i silniki, gdzie pojęcia „poziomy” i „pionowy” tracą swoje zwyczajowe znaczenie, a dwie osie promieniowe są po prostu prostopadłe do siebie.
Całkowite drgania promieniowe
Dwa odczyty kierunkowe są czasem łączone w jedną wypadkową wektorową:
Suma promieniowa = √(pozioma² + pionowa²)
- Może to być wygodna wewnętrzna miara trendu, kondensująca oba kierunki do jednej liczby.
- Nie jest to standardowa liczba nasilenia drgań: ISO 20816 (podobnie jak wcześniej ISO 10816) ocenia wyższy większą z dwóch indywidualnie zmierzonych ortogonalnych wartości promieniowych względem granic stref — nie porównuj tej łącznej wypadkowej bezpośrednio z limitami ISO 20816 ani nie używaj jej do ustawiania alarmów opartych na ISO, chyba że stosowana norma lub procedura wyraźnie definiuje taką metrykę łączną.
- Ponieważ te dwie osie rzadko osiągają punkt szczytowy w tym samym momencie, tor ruchu wału ma zazwyczaj kształt elipsy, a nie koła — fakt ten nabiera znaczenia podczas analizy toru ruchu.
2. Główne przyczyny drgań promieniowych
Drgania promieniowe powstają pod wpływem każdej siły działającej prostopadle do osi wału. Kluczowym elementem diagnostyki jest określenie częstotliwości dominującej, ponieważ każda usterka pozostawia charakterystyczny ślad.
1. Niewyważenie (główna przyczyna)
Niewyważenie jest najczęstszą przyczyną drgań promieniowych w urządzeniach wirujących:
- It creates a siła odśrodkowa który obraca się wraz z wałem, pojawiając się w prędkość obrotowa (1X).
- Siła rośnie wraz z masą niewyważenia, jej promieniem oraz – co najważniejsze – kwadratem prędkości, więc niewielki ciężki punkt staje się poważnym problemem wraz ze wzrostem prędkości obrotowej.
- Ma kształt zbliżony do koła lub elipsy orbita wału.
- Można to naprawić poprzez równoważenie… jedyna z tych usterek, którą zazwyczaj można naprawić bez konieczności wymiany części.
2. Niewspółosiowość
Niewspółosiowość wału między połączonymi maszynami powstają zarówno siły promieniowe, jak i drgania osiowe:
- Objawia się to głównie drganiami promieniowymi o częstotliwości 2X (dwa razy na obrót).
- Generuje również harmoniczne 1X, 3X i wyższe harmoniczne.
- Silne drgania osiowe towarzyszące sygnałowi promieniowemu stanowią istotną wskazówkę.
- The faza Zależność między tymi dwoma łożyskami pozwala stwierdzić, czy niewspółosiowość ma charakter kątowy, równoległy (przesunięcie) czy też oba te rodzaje jednocześnie.
3. Wady mechaniczne
Niektóre usterki mechaniczne powodują powstawanie charakterystycznych wzorów promieniowych:
- Wady łożysk: uderzenia o wysokiej częstotliwości w częstotliwości uszkodzeń łożysk.
- Wygiêty lub zwichnięty wał: Wibracje 1X przypominające niewyważenie, występujące jednak nawet przy niskich prędkościach obrotowych — zobacz ugięcie wału.
- Luz: wiele harmonicznych (1X, 2X, 3X i wyższe) o nieliniowym, często kierunkowym przebiegu.
- Spękanie: Drgania o częstotliwości 1X i 2X, zmieniające się podczas uruchamiania i wyłączania — cecha charakterystyczna pęknięty wirnik.
- Pocieranie: połączenie elementów niesynchronicznych i synchronicznych, charakterystyczne dla tarcie wirnika.
4. Siły aerodynamiczne i hydrauliczne
Siły procesu roboczego występujące wewnątrz pomp, wentylatorów i sprężarek wywierają własne siły promieniowe:
- Częstotliwość przechodzenia łopatek (liczba łopatek × prędkość obrotowa).
- Niewyważenie hydrauliczne wynikające z asymetrycznego przepływu.
- Odrywanie wirów i turbulencja przepływu.
- Praca w trybie recyrkulacji i w warunkach odbiegających od znamionowych, w tym kawitacja in pumps.
5. Warunki rezonansu
Gdy urządzenie pracuje w pobliżu prędkość krytyczna, drgania promieniowe ulegają drastycznemu wzmocnieniu:
- Częstotliwość drgań własnych pokrywa się z częstotliwością oddziaływania, co stanowi klasyczny warunek dla rezonans.
- Amplituda jest wówczas ograniczona jedynie przez system tłumienie.
- W wąskim przedziale prędkości poziomy mogą wzrosnąć do wartości katastrofalnych.
- W związku z tym konstrukcja wymaga zapewnienia odpowiednich marginesów bezpieczeństwa między prędkością roboczą a prędkościami krytycznymi.
3. Normy i parametry pomiarowe
Jednostki miary
Drgania promieniowe można opisać za pomocą trzech powiązanych ze sobą parametrów, z których każdy odnosi się do innego zakresu częstotliwości:
- Przemieszczenie: rzeczywista odległość przemieszczenia (w mikrometrach µm lub milach). Stosowana w maszynach o niskiej prędkości oraz sonda zbliżeniowa pomiary wału.
- Prędkość: współczynnik zmiany przemieszczenia (mm/s, cal/s). Najczęściej stosowany parametr w przypadku ogólnych maszyn przemysłowych oraz podstawa norm ISO dotyczących intensywności drgań.
- Przyspieszenie: szybkość zmiany prędkości (m/s², g). Wykorzystywana w zastosowaniach wysokoczęstotliwościowych, takich jak wykrywanie uszkodzeń łożysk.
Wybór ten ma znaczenie, ponieważ ten sam ruch fizyczny może wyglądać na niegroźny w jednej jednostce, a w innej budzić niepokój — prędkość ma tendencję do spłaszczania widma w paśmie średnich częstotliwości, w którym występuje większość usterek maszyn wirujących, i właśnie dlatego stanowi podstawę limitów ISO.
Międzynarodowe standardy
The ISO 20816 Seria ta określa dopuszczalne wartości drgań promieniowych. (Zastępuje ona starszą rodzinę norm ISO 10816 oraz wcześniejszą normę ISO 2372; jako normę obowiązującą należy powoływać się na ISO 20816.)
- ISO 20816-1: ogólne wytyczne dotyczące oceny drgań maszyn.
- ISO 20816-3: szczegółowe kryteria dotyczące maszyn przemysłowych o mocy powyżej 15 kW.
- Strefy nasilenia drgań: A (dobry), B (akceptowalny), C (niezadowalający), D (nieakceptowalny)
- Miejsce pomiaru: zazwyczaj na obudowach łożysk w kierunkach promieniowych.
Normy branżowe
- API 610: Dopuszczalne wartości drgań promieniowych dla pomp odśrodkowych.
- API 617: kryteria drgań dla sprężarek odśrodkowych.
- API 684: Procedury analizy dynamiki wirnika służące do prognozowania drgań promieniowych.
- NEMA MG-1: wartości graniczne drgań dla silników elektrycznych.
4. Techniki monitorowania i diagnostyki
Rutynowe monitorowanie
Standardowe programy monitorują drgania promieniowe zgodnie z harmonogramem:
- Pomiary trasowe: okresowe pomiary w stałych odstępach czasu (co miesiąc, co kwartał).
- Śledzenie ogólnego poziomu drgań: obserwując wzrost całkowitej amplitudy w miarę upływu czasu.
- Alarm limits: określone w normach ISO lub normach dotyczących konkretnego sprzętu.
- Porównanie: current versus linia bazowaoraz w układzie poziomym i pionowym.
Zaawansowana analiza
W przypadku podejrzenia wystąpienia problemu bardziej zaawansowane narzędzia pozwalają ustalić jego charakter:
- Analiza FFT: a frequency widmo rozkładanie drgań na składowe.
- Przebieg czasowy: sygnał surowy w funkcji czasu, ujawniając przebiegi przejściowe i modulację.
- Analiza fazowa: zależności czasowe między punktami pomiarowymi.
- Analiza orbit: tor osi wału, który odpowiada bezpośrednio pomiarom promieniowym.
- Analiza obwiedni: demodulacja wysokoczęstotliwościowa w celu wczesnego wykrywania uszkodzeń łożysk.
Ciągły monitoring
Sprzęt o znaczeniu krytycznym jest zazwyczaj monitorowany w trybie ciągłym:
- Czujniki zbliżeniowe do bezpośredniego pomiaru ruchu wału.
- Zamontowane na stałe akcelerometry na obudowach łożysk.
- Trendy i alerty w czasie rzeczywistym.
- Integracja z automatycznym ochrony maszyn systemy.
5. Różnice między układem poziomym a pionowym
Typowe zależności amplitudowe
W wielu przypadkach wartość pionowa przewyższa wartość poziomą:
- Wpływ grawitacji: Ciężar wirnika powoduje ugięcie statyczne, które zwiększa sztywność w kierunku pionowym.
- Sztywność asymetryczna: fundamenty i konstrukcje nośne są często bardziej sztywne w płaszczyźnie poziomej.
- Typowy współczynnik: Często występują drgania pionowe o wartości 1,5–2 razy większej od drgań poziomych.
- Efekt ciężarka korekcyjnego: Ciężarki wyrównawcze umieszczone na spodzie wirnika (w miejscu najłatwiej dostępnym) zazwyczaj w pierwszej kolejności ograniczają drgania pionowe.
Różnice diagnostyczne
- Niewyważenie: może wykazywać silniejszy odczyt w jednym kierunku, w zależności od tego, gdzie znajduje się punkt nierównowagi.
- Luzy: często wyraźniej ujawnia swoją nieliniowość w kierunku pionowym.
- Kwestie związane z fundamentami: Wibracje pionowe są bardziej wrażliwe na pogorszenie stanu fundamentów.
- Niewspółosiowość: może wyglądać inaczej w przypadku pomiarów poziomych i pionowych, w zależności od rodzaju niewspółosiowości.
6. Związek z dynamiką wirnika
Wibracje promieniowe stanowią sedno dynamika wirnika analizy, ponieważ zachowanie wału przy zginaniu promieniowym decyduje o tym, w jaki sposób — i w którym miejscu — wystąpią nieprawidłowości w jego działaniu.
Prędkości krytyczne
- Częstotliwości drgań własnych promieniowych określają prędkości krytyczne.
- Pierwsza prędkość krytyczna odpowiada zazwyczaj pierwszemu trybowi zginania promieniowego.
- Diagramy Campbella przewidzieć zachowanie promieniowe w funkcji prędkości.
- Marginesy bezpieczeństwa od prędkości krytycznych utrzymują drgania promieniowe w ryzach.
Kształty modów
- Każdy tryb promieniowy ma swoją charakterystykę kształt ugięcia.
- Pierwszy tryb: prosty łuk.
- Drugi tryb: krzywa w kształcie litery S z node point.
- Wyższe mody: coraz bardziej złożone struktury.
Zagadnienia wyważania
- Celem wyważania jest zmniejszenie drgań promieniowych przy częstotliwości 1X.
- Współczynniki wpływu powiązać każdy ciężarek korekcyjny z wynikającą z niego zmianą drgań promieniowych.
- The best płaszczyzna korekcji Położenia wynikają z postaci drgań promieniowych.
7. Korekta, kontrola i praktyka terenowa
W przypadku niewyważenia
- Wyważanie w terenie przy użyciu przenośnego analizatora. Urządzenie dwukanałowe, takie jak Balanset-1A mierzy amplitudę i fazę drgań promieniowych 1X w każdym łożysku, oblicza współczynniki oddziaływania i umożliwia inżynierowi wyważenie wirnika w jego własnych łożyskach przy prędkości roboczej — bez konieczności demontażu i bez użycia wyważarki. Aby przekształcić zmierzoną wartość w masę korygującą, można również skorzystać z Kalkulator masy próbnej.
- Jednopłaszczyznowe lub wyważanie dwupłaszczyznowe procedury, dobrane w zależności od geometrii wirnika.
- Precyzyjne wyważanie warsztatowe na wyważarka w przypadku najważniejszych elementów.
W przypadku problemów mechanicznych
- Precyzyjne wyrównanie w celu skorygowania niewspółosiowości.
- Wymiana łożyska w przypadku jego uszkodzenia.
- Dokręcanie luźnych elementów.
- Naprawa fundamentów w związku z problemami konstrukcyjnymi.
- Prostowanie wałów lub wymiana wygiętych wałów.
W przypadku problemów z rezonansem
- Zmiany prędkości w celu uniknięcia przedziałów prędkości krytycznych.
- Modyfikacje sztywności (zmiany średnicy wału, położenia łożyska)
- Ulepszenia w zakresie tłumienia, takie jak tłumniki o filmie ściskającym lub ponowny dobór łożysk.
- Zmiany masowe mające na celu przesunięcie częstotliwości drgań własnych z dala od prędkości roboczej.
8. Znaczenie w konserwacji predykcyjnej
Monitorowanie drgań promieniowych stanowi podstawę konserwacja predykcyjna:
- Wczesne wykrywanie usterek: Zmiany w drganiach promieniowych poprzedzają awarie o tygodnie lub miesiące
- Trendowanie: Stopniowy wzrost wskazuje na narastający problem.
- Diagnostyka usterek: Zawartość częstotliwościowa pozwala określić konkretny rodzaj usterki.
- Ocena nasilenia drgań: amplituda wskazuje, jak poważny i pilny jest ten problem.
- Planowanie konserwacji: Prace konserwacyjne napędzane są stanem urządzenia, a nie harmonogramem.
- Cost savings: zapobiega się poważnym awariom i optymalizuje się częstotliwość przeglądów.
Jako podstawowy parametr pomiarowy drgań w maszynach wirujących, drgania promieniowe dostarczają kluczowych informacji o stanie urządzeń — dzięki czemu są niezbędne do niezawodnej, bezpiecznej i wydajnej eksploatacji przemysłowych urządzeń wirujących.
