Diagnostyka wibracji

Miękka stopa: przyczyny, diagnostyka i korekcja

Miękka stopa jest jedną z najczęstszych, a jednocześnie niedocenianych przyczyn nadmiernych wibracji w urządzeniach obrotowych. Według statystyk serwisowych, do 80% maszyn w zakładach przemysłowych pracuje z niekorygowaną stopą miękką. Niniejszy artykuł szczegółowo omawia fizykę tego zjawiska, jego klasyfikację, metody detekcji – od szczelinomierzy po analizę drgań międzyfazowych – oraz praktyczne techniki korekcji.

15 minut czytania ISO 20816 · ISO 18436 · ISO 1940 Balanset-1A

1. Definicja i natura fizyczna

Miękka stopa To stan, w którym jedna lub więcej stóp maszyny nie ma pełnego kontaktu z ramą fundamentu (płytą podstawy, płytą bazową) przed dokręceniem śrub mocujących. Po dokręceniu takiej śruby obudowa maszyny ulega odkształceniu, geometria otworu łożyska ulega zniekształceniu, a oś wirnika odchyla się od położenia projektowego.

Z fizycznego punktu widzenia zachodzi następujące zjawisko: siła dokręcania śruby na stopie z niepełnym stykiem tworzy moment zginający w obudowie. To odkształcenie jest przenoszone na podpory łożyskowe, powodując:

  • Niewspółosiowość pierścieni wewnętrznych łożysk tocznych
  • Nierównomierny rozkład obciążenia w łożyskach ślizgowych
  • Niewspółosiowość kątowa wałów maszyn sprzężonych
  • Nierównowaga dynamiczna spowodowana ugięciem wirnika

W rezultacie drgania wzrastają przy częstotliwości obrotowej (1×), a w poważnych przypadkach także przy wielokrotnościach harmonicznych.

Dane terenowe

Istnieją udokumentowane przypadki, w których korygowanie miękkiej stopy pojedyncza śruba zmniejszył prędkość drgań (RMS) z 12 mm/s do 2 mm/s — sześciokrotna redukcja.

2. Klasyfikacja miękkiej stopy

W praktyce międzynarodowej wyróżnia się cztery typy stopy miękkiej. Każdy z nich wymaga innego podejścia do identyfikacji i korekcji.

1

Równoległy (Air-Gap) Soft Foot

Pod stopą na całej powierzchni nośnej występuje jednolita szczelina powietrzna. Przyczyny to: za krótka stopa, niepłaska powierzchnia podeszwy lub nieprawidłowa grubość podkładki.

✓ Płaskie, kalibrowane podkładki
2

Angular Soft Foot

Stopa styka się z ramą tylko wzdłuż jednej krawędzi lub narożnika. Po dokręceniu śruby, jej przeciwna strona unosi się, odkształcając obudowę. Występuje, gdy stopa nie jest prostopadła do osi śruby lub gdy powierzchnia ma klinowate zużycie.

✓ Podkładki stożkowe / schodkowe
3

Miękka (sprężysta) stopa

Powierzchnia formalnie styka się z ramą, ale obecny jest materiał ściśliwy: zbyt cienkie podkładki, farba, brud, korozja lub resztki uszczelek. Z czasem, w miarę stabilizowania, ustawienie "przesuwa się". Zidentyfikowano na podstawie niestabilnych, powtarzanych pomiarów.

✓ Czyste powierzchnie, ≤3 podkładki
4

Wywołana miękka stopa

Stopa i rama mają prawidłową geometrię, ale siły zewnętrzne – naprężenia rur, obciążenia koryt kablowych, siły osłonowe, nacisk śrub podporowych – wypychają obudowę z płaszczyzny podparcia. Co gorsza, pomiary statyczne mogą tego nie ujawnić.

✓ Korekta naprężeń rur
Klasyfikacja miękkiej stopy — diagram przekroju poprzecznego
Klasyfikacja miękkiej stopy: równoległa, kątowa, miękka i indukowana Diagram przedstawiający cztery typy stopy miękkiej w przekroju poprzecznym. 1 · Równoległy RAMA luka STOPA Jednolita szczelina ▸ Podkładki płaskie 2 · Kątowy RAMA STOPA maks 0 Szczelina klinowa ▸ Podkładki stożkowe 3 · Mięczak RAMA podkładki/brud STOPA Warstwa ściśliwa ▸ Czyste, ≤3 podkładki 4 · Wywołane RAMA STOPA Rura OBUDOWA Siła zewnętrzna ▸ Korekta rur

LukaSiła zewnętrznaKorekta Najpierw należy określić rodzaj miękkiej stopy na podstawie charakteru kontaktu, a następnie wybrać metodę korekcji (podkładki, obróbka powierzchni, usunięcie obciążeń zewnętrznych).

3. Wpływ na stan wibracji maszyny

Miękka stopa ma złożony, negatywny wpływ na stan maszyny w kontekście wielu parametrów:

ParametrMechanizm uderzenia
Prędkość drgań (RMS, mm/s)Wzrost amplitudy o 1× częstotliwości obrotowej z powodu ugięcia wirnika i jego niewspółosiowości
Faza wibracjiRóżnica kątów fazowych między podporami może sięgać 180° – jest to charakterystyczny objaw stopy miękkiej
WidmoPodwyższone 1× z możliwą obecnością 2× i częstotliwością linii (dla silników elektrycznych)
Żywotność łożyskaNiewspółosiowość pierścieni powoduje przeciążenie punktowe elementów tocznych, co drastycznie skraca żywotność
Wyrównanie wałówNiestabilne ustawienie: wartości "oddalają się" od wartości docelowych po dokręceniu śrub
FokiDeformacja obudowy zaburza geometrię gniazd uszczelnień mechanicznych
Zasada praktyczna

Jeżeli po wykonaniu prawidłowego ustawienia wału drgania nadal utrzymują się na wysokim poziomie, pierwszą rzeczą do sprawdzenia jest miękka stopa.

4. Metody diagnostyczne

4.1. Wykrywanie ładunków elektrostatycznych (czujniki szczelinowe i czujniki zegarowe)

Najczęściej stosowana metoda podczas planowanych prac wyrównywania.

  1. Odkręć wszystkie śruby mocujące maszynę.
  2. Włóż zestaw szczelinomierzy między każdą stopę a ramę. Zanotuj odstępy.
  3. Za każdą stopę z odstępem przekraczającym 0,05 mm, wybierz podkładki kalibrowane.
  4. Dokręć wszystkie śruby kluczem dynamometrycznym.
  5. Powtórz pomiar za pomocą czujnika zegarowego: zamontuj podstawę na ramie, umieść końcówkę wskaźnika na stopie i poluzuj śrubę. Dopuszczalne przesunięcie nie przekracza 0,05 mm (50 µm).
Ograniczenie

Ta metoda nie wykrywa wywołana miękka stopa występujące pod obciążeniem roboczym (temperatura, ciśnienie, naprężenie rury).

4.2. Wykrywanie dynamiczne (luzowanie śrub w pracującej maszynie)

Metoda ta pozwala na bezpośrednie wykrycie zjawiska miękkiej stopy w warunkach roboczych — przy uwzględnieniu temperatury, ciśnienia i naprężenia rury.

  1. Zamontuj czujnik drgań (akcelerometr) na obudowie maszyny w pobliżu podpory.
  2. Podłącz urządzenie w trybie monitorowania prędkości drgań RMS w czasie rzeczywistym. Przenośny wibrometr dwukanałowy, taki jak Balanset-1A może być stosowany, umożliwiając jednoczesne monitorowanie poziomu drgań i kąta fazowego przy częstotliwości obrotowej.
  3. Kolejno luzuj każdą śrubę mocującą (dokręcając ją ręcznie), obserwując zmianę RMS.
  4. Po sprawdzeniu natychmiast dokręć śrubę i przejdź do następnej.
  5. Śruba, której poluzowanie skutkuje znaczną redukcją wibracji, wskazuje na miękką stopę w tym miejscu.
Kryterium

Zmniejszenie prędkości drgań RMS o więcej niż 20% poluzowanie jednej śruby jest niewątpliwym dowodem na występowanie zjawiska miękkiej stopy.

Ostrzeżenie dotyczące bezpieczeństwa

Praca z elementami złącznymi na pracującym sprzęcie wiąże się ze zwiększonym ryzykiem. Obowiązkowe jest ścisłe przestrzeganie wymogów bezpieczeństwa pracy, w tym stosowanie narzędzia nieiskrzące w strefach zagrożonych wybuchem oraz odpowiednie uprawnienia do pracy pod urządzeniami pod napięciem.

4.3. Analiza drgań międzyfazowych

Najbardziej informatywną metodą instrumentalną, umożliwiającą identyfikację miękkich stóp bez luzowania zapięć na sprzęt biegowy.

Wymagany sprzęt

  • Dwukanałowy analizator drgań z funkcją cross-phase
  • Dwa akcelerometry
  • Czujnik odniesienia fazy (tachometr) i znacznik odblaskowy na wirniku

Wibrometr dwukanałowy Balanset-1A Umożliwia jednoczesny pomiar amplitudy drgań z dokładnością 1x i kąta fazowego w dwóch kanałach z dokładnością ±2°, co czyni go idealnym do analizy przesunięcia fazowego w terenie. Standardowo dołączony jest fotoelektryczny czujnik odniesienia fazy (zakres 0–360°).

  1. Zamontuj akcelerometry na dwóch wspornikach maszyny w tym samym kierunku (np. pionowo).
  2. Zamontuj znacznik na wirniku i skieruj czujnik tachometru na znacznik.
  3. Wykonaj pomiar fazy krzyżowej: przyrząd określa różnicę kąta fazy drgań między dwoma punktami przy częstotliwości obrotowej 1×.
Kryterium diagnostyczne

Jeżeli różnica faz wynosi około 180° Jednocześnie znaczna różnica amplitudy między dwoma podporami jest charakterystycznym objawem stopy miękkiej. Podpora o wyższej amplitudzie wskazuje na lokalizację problemu.

Diagnostyka różnicowa

WadaRóżnica faz między podporamiAmplituda
Miękka stopa≈ 180°Istotna różnica między podporami
Brak równowagi≈ 0° (w fazie)Porównywalne poziomy
Niewspółosiowość0° lub 180°Zależy od rodzaju niewspółosiowości
Analiza fazy krzyżowej: brak równowagi (0°) kontra miękka stopa (180°)
Nierównowaga — faza ≈ 0° (ruch podtrzymujący w fazie) CH1 CH2 Δφ ≈ 0° RAMA MASZYNA Miękka stopa — faza ≈ 180° (ruch wsparcia antyfazowego) CH1 CH2 Δφ ≈ 180° RAMA MASZYNA SF

CH1 / CH2Δφ ≈ 0°Δφ ≈ 180° Sygnały w fazie zazwyczaj wskazują na asymetrię; sygnały w przeciwfazie wskazują na miękką stopę. Aby uzyskać ostateczny wniosek, należy zweryfikować amplitudy, widmo 1×/2× oraz test luzowania śrub.

Zaletą metody krzyżowej jest to, że działa ona w trakcie normalnej pracy maszyny i nie wymaga luzowania żadnych elementów złącznych.

5. Miękka stopa wywołana rurą

Naprężenie rur w urządzeniach pompowych lub sprężarkowych jest jedną z głównych — a jednak najczęściej pomijanych — przyczyn nadmiernych wibracji i niestabilnego ustawienia.

5.1. Mechanizm występowania

Jeśli rurociąg jest podłączony do kołnierza maszyny pod wpływem naprężeń (bez swobodnego pasowania), siła wywierana przez rurę jest stale przykładana do obudowy maszyny. Pod wpływem ciśnienia i temperatury roboczej siła ta wzrasta z powodu rozszerzalności cieplnej. Rura "kołysze" maszynę, co prowadzi do:

  • Okresowe zmiany w ustawieniu wałów
  • Zwiększone wibracje przy częstotliwości obrotowej 1× i 2×
  • Przedwczesne zużycie łożysk i uszczelnień mechanicznych
  • Niestabilne odczyty podczas próby ustawienia
Wywołana miękka stopa: odkształcenie maszyny z rur
FUNDACJA RAMA POMPA (kompresor) RURA (ssąca) RURA (odpływ) — pod obciążeniem! F (odkształcenie) odkształcenie kołnierz Kontrola 4-punktowa 12 6 9 3

Siła odkształceniaOdkształcenie Czerwone strzałki pokazują siłę odkształcenia rury, która wypycha maszynę z jej geometrii. Koło 12–3–6–9 pokazuje kolejność pomiaru szczelin kołnierzowych w czterech punktach przed ustawieniem.

5.2. Kontrola stanu rurociągów

Przed wykonaniem osiowania wału obowiązkowe jest sprawdzenie kąta nachylenia i przesunięcia kołnierza.

  1. Odłączyć przewód rurowy od kołnierza maszyny.
  2. Zmierz odstępy między kołnierzem rury i kołnierzem maszyny w czterech punktach: na godzinie 12, 3, 6 i 9.
  3. Określ kątowość (różnicę odstępów w przeciwległych punktach) i przesunięcie (równoległość linii środkowych kołnierzy).

Tolerancje

  • Idealna wartość kąta i przesunięcia: 0 mm
  • Możliwe do osiągnięcia w praktyce przy starannym dopasowaniu: 0,01–0,02 mm
  • Wartości przekraczające 0,05 mm wymagają obowiązkowej korekty przed wyrównaniem

5.3. Złączki rurowe

Celem jest uzyskanie połączenia kołnierzowego bez naprężeń, bez stosowania sił zewnętrznych. Metody obejmują:

  • Regulacja podpór i wieszaków rurowych
  • Przycinanie lub przedłużanie odcinków szpuli
  • Wykorzystanie złączy dylatacyjnych
  • Korygowanie pozycji podparcia pośredniego
Rzeczywistość branżowa

Zgodnie z danymi z praktyki terenowej, do 80% organizacji operacyjnych pomija weryfikację naprężeń rur, kontynuując poszukiwania przyczyny drgań gdzie indziej. Ta praca jest pracochłonna, ale bez niej każde ustawienie – nawet precyzyjne – będzie niestabilne.

6. Wymagania dotyczące obszaru kontaktu stóp

Minimalna powierzchnia styku stopy maszyny z płytą podstawy (ramą fundamentową) musi wynosić co najmniej 80% obszaru podeszwy stopy.

Jeżeli powierzchnia styku jest mniejsza niż 80%:

  • Obciążenie rozkłada się nierównomiernie, co powoduje lokalne skupiska naprężeń
  • Podkładki ulegają odkształceniu i wgnieceniu w punktach styku
  • Dokręcanie śrub nie zapewnia stabilnego zamocowania — z czasem ustawienie "przesuwa się"
  • Zwiększa się ryzyko zmęczenia stopy lub podeszwy

Metody inspekcji

  • Kontrola wizualna: ślady styku, utlenianie, rysy na powierzchniach stóp i ramy
  • Błękit pruski (pasta do znakowania): nanieść cienką warstwę na podeszwę stopy, nacisnąć stopę, ocenić wzór styku
  • Zestaw szczelinomierzy: zmierz obwód stopy z poluzowaną śrubą

Jeżeli okaże się, że styk jest mniejszy niż 80%, należy przywrócić płaskość powierzchni nośnych poprzez zeskrobanie, zfrezowanie lub zeszlifowanie płyty podeszwy i/lub podeszwy stopy.

7. Procedura korekcji miękkiej stopy

Zalecana kolejność prac w przypadku wykrycia miękkiej stopy:

1

Przygotuj powierzchnie łożyskowe

  • Wyczyść podeszwy i powierzchnie stóp z brudu, farby, rdzy i starego materiału uszczelek
  • Sprawdź płaskość za pomocą zestawu liniału i szczelinomierza
  • W razie potrzeby obrób powierzchnie maszynowo (szlifowanie, skrobanie)
2

Zweryfikuj obszar kontaktu

  • Upewnij się, że kontakt stopy z płytą podeszwy wynosi co najmniej 80%
  • Wyeliminuj wszelkie materiały ściskalne (sprężyste) w strefie kontaktu
3

Pomiar luk

  • Odkręć wszystkie śruby mocujące
  • Zmierz szczeliny za pomocą szczelinomierzy lub czujnika zegarowego przy każdej stopie
  • Wybierz kalibrowane podkładki ze stali nierdzewnej. Nie więcej niż 3 podkładki na stopę (aby uniknąć efektu "miękkości")
4

Sprawdź naprężenie rury

  • Odłączyć rurociąg
  • Zmierz kątowość i przesunięcie kołnierza w czterech punktach
  • W przypadku przekroczenia tolerancji należy dokonać korekty w celu uzyskania połączenia bez naprężeń
5

Ostateczne dokręcanie i weryfikacja

  • Dokręć wszystkie śruby kluczem dynamometrycznym w układzie krzyżowym
  • Kontrola czujnika zegarowego: przesunięcie ≤ 0,05 mm przy odkręcaniu dowolnej śruby
  • Przeprowadź test i sprawdź poziom wibracji
6

Wykonaj ustawienie wałów

Należy wykonać wyrównanie wałów dopiero po całkowitym skorygowaniu miękkiej stopy i orurowanie zostały zamontowane. W przeciwnym razie wyniki wyrównania będą niestabilne.

8. Oprzyrządowanie

8.1. Narzędzia do diagnostyki statycznej

  • Zestaw kalibrowanych szczelinomierzy (od 0,02 mm)
  • Wskaźnik zegarowy na podstawie magnetycznej (podziałka 0,01 mm)
  • Liniówka
  • Pasta do znakowania (błękit pruski) do oceny powierzchni styku
  • Skalibrowany klucz dynamometryczny

8.2. Narzędzia do diagnostyki dynamicznej

Do dynamicznego wykrywania miękkich stóp i analizy międzyfazowej wymagany jest przenośny analizator drgań z możliwością jednoczesnego pomiaru dwukanałowego i analizy fazowej.

The Balanset-1A (wyprodukowany przez VibroMera) to przenośny dwukanałowy wibrometr-wyważarka odpowiedni do tych zadań. Kluczowe parametry istotne dla diagnostyki stopy miękkiej:

Kanały wibracyjne 2 (jednocześnie)
Zakres prędkości 250–90 000 obr./min
Prędkość wibracji RMS 0–80 mm/s
Dokładność fazy 0–360°, ±2°
Czujnik fazy Fotoelektryczny, w zestawie
Analiza widmowa Obsługa FFT
Zasilacz USB (7–20 V)
Równoważenie 1 lub 2 samoloty

Dwukanałowa architektura urządzenia Balanset-1A umożliwia jednoczesny pomiar amplitudy i fazy drgań na dwóch podporach, co jest warunkiem wstępnym do diagnostyki drgań miękkich stóp w różnych fazach. Po korekcji drgań miękkich stóp, ten sam przyrząd jest używany do wyważania wirnika w jego własnych łożyskach – w jednej lub dwóch płaszczyznach korekcji – bez demontażu urządzenia.

9. Odniesienia normatywne

  • GOST R ISO 20816-1-2021 — Wibracje. Pomiar i ocena drgań maszyn. Część 1. Wytyczne ogólne.
  • GOST R ISO 18436-2-2005 — Monitorowanie stanu i diagnostyka maszyn. Monitorowanie stanu i diagnostyka drgań. Część 2. Wymagania dotyczące szkolenia i certyfikacji personelu.
  • ISO 1940-1:2003 — Drgania mechaniczne. Wymagania jakościowe wyważenia wirników w stanie stałym (sztywnym). Część 1: Określanie i weryfikacja tolerancji wyważenia.
  • ISO 10816 / ISO 20816 — Seria norm służących ocenie stanu drgań maszyn.

10. Wnioski

Najważniejsze wnioski

Miękka stopa to systemowa wada instalacyjna, której naprawa polega na obowiązkowy warunek wstępny dla skutecznego wyosiowania wałów i redukcji drgań w urządzeniach obrotowych. Zignorowanie zasady „soft foot” sprawia, że wszelkie późniejsze prace rozruchowe stają się bezcelowe: wyosiowanie będzie niestabilne, drgania pozostaną podwyższone, a żywotność łożysk i uszczelnień ulegnie skróceniu.

Nowoczesne przenośne wibrometry dwukanałowe, takie jak Balanset-1A Zapewniają pełny cykl diagnostyczny — od wykrywania „miękkiej stopy”, poprzez analizę międzyfazową, po późniejsze wyważanie wirnika na miejscu. Zastosowanie instrumentalnych metod diagnostycznych zamiast inspekcji wizualnej znacznie zwiększa niezawodność wykrywania usterek i skraca czas uruchomienia.

Zalecany przebieg prac uruchomieniowych

1
Kontrola i korekcja miękkiej stopy
2
Złączka rurowa
3
Wyrównanie wałów
4
Wyważanie wirnika
5
Ostateczna kontrola wibracji ✓
Schemat blokowy uruchomienia urządzeń obrotowych
1. Kontrola miękkiej stopy wskaźniki + wskaźnik + faza krzyżowa Znaleziono SF? >0,05 mm Tak Poprawny SF: podkładki, czyszczenie, obróbka Nie 2. Złączka rurowa kątowość / przesunięcie ≤ 0,02 mm 3. Wyrównanie wałów wskaźnik laserowy / zegarowy 4. Wyważanie (Balanset-1A) 5. Końcowy pomiar drgań ✓ Balanset-1A stosuje się w: ▸ krok 1 — faza krzyżowa ▸ krok 4 — równoważenie

Logika pracy"Gałąź "Tak”Ostateczna kontrola Zasada kluczowa: przystąpić do osiowania dopiero po potwierdzeniu korekcji miękkiej stopy. Kryterium praktyczne: przemieszczenie stopy ≤ 0,05 mm podczas odkręcania śruby kontrolnej i brak drgań przeciwfazowych.

Przestrzeganie tej kolejności stanowi podstawę niezawodnej i długotrwałej pracy urządzeń obrotowych.

Źródła: materiały szkoleniowe z zakresu diagnostyki drgań i ustawiania współosiowości wałów; GOST R ISO 20816-1-2021; GOST R ISO 18436-2-2005; ISO 1940-1:2003; dokumentacja techniczna VibroMera (Balanset-1A).