Analýza vibrácií s Balanset-1A: Sprievodca pre začiatočníkov spektrálnou diagnostikou

Úvod: Od vyvažovania k diagnostike – využite plný potenciál vášho analyzátora vibrácií

Zariadenie Balanset-1A je primárne známe ako účinný nástroj na dynamické vyvažovanie. Jeho možnosti však siahajú ďaleko za rámec toho, čo z neho robí výkonný a dostupný analyzátor vibrácií. Balanset-1A je vybavený citlivými senzormi a softvérom pre spektrálnu analýzu pomocou rýchlej Fourierovej transformácie (FFT) a je vynikajúcim nástrojom na komplexnú analýzu vibrácií. Táto príručka premosťuje medzeru, ktorú zanechala oficiálna príručka, a vysvetľuje, čo údaje o vibráciách odhaľujú o stave stroja.

Táto príručka je štruktúrovaná postupne, aby vás viedla od základov k praktickému využitiu:

• Prvá časť položí teoretický základ, jednoducho a jasne vysvetlí, čo sú vibrácie, ako funguje spektrálna analýza (FFT) a aké spektrálne parametre sú kľúčové pre diagnostika.
• Časť 2 poskytne podrobné pokyny na získanie vysokokvalitných a spoľahlivých vibračných spektier pomocou zariadenia Balanset-1A v rôznych režimoch so zameraním na praktické nuansy, ktoré nie sú opísané v štandardnom návode.
• Jadro článku tvorí 3. časť. V nej budú dôkladne analyzované „odtlačky prstov“ – charakteristické spektrálne znaky najbežnejších porúch: nevyváženosť, nesprávne súosie, mechanická vôľa a chyby ložísk.
• Štvrtá časť integruje získané poznatky do jednotného systému, ktorý ponúkne praktické odporúčania na implementáciu monitorovania a jednoduchý algoritmus rozhodovania.

Zvládnutím materiálu v tomto článku budete môcť používať Balanset-1A nielen ako vyvažovacie zariadenie, ale aj ako plnohodnotný diagnostický komplex základnej úrovne, ktorý vám umožní včas identifikovať problémy, predchádzať nákladným nehodám a výrazne zvýšiť spoľahlivosť vášho prevádzkového zariadenia.

Sekcia 1: Základy vibračnej a spektrálnej analýzy (FFT)

1.1. Čo sú vibrácie a prečo sú dôležité?

Akékoľvek rotujúce zariadenie, či už ide o čerpadlo, ventilátor alebo elektromotor, vytvára počas prevádzky vibrácie. Vibrácie sú mechanické kmitanie stroja alebo jeho jednotlivých častí vzhľadom na ich rovnovážnu polohu. V ideálnom, plne funkčnom stave stroj generuje nízku a stabilnú úroveň vibrácií – ide o jeho normálny „prevádzkový hluk“. S objavovaním a vývojom porúch sa však toto vibračné pozadie začína meniť.

Vibrácie sú reakciou štruktúry mechanizmu na cyklické budiace sily. Zdroje týchto síl môžu byť veľmi rôznorodé:

• Odstredivá sila spôsobená nevyváženosťou rotora: Vzniká z nerovnomerného rozloženia hmotnosti vzhľadom na os otáčania. Ide o takzvané „ťažké miesto“, ktoré počas otáčania vytvára silu prenášanú na ložiská a kryt stroja.
• Sily spojené s geometrickými nepresnosťami: Nesúososť spojených hriadeľov, ohnutie hriadeľa, chyby v profiloch zubov prevodovky – to všetko vytvára cyklické sily spôsobujúce vibrácie.
• Aerodynamické a hydrodynamické sily: Vyskytujú sa počas otáčania obežných kolies vo ventilátoroch, odsávačoch dymu, čerpadlách a turbínach.
• Elektromagnetické sily: Charakteristické pre elektromotory a generátory a môže byť spôsobené napríklad asymetriou vinutia alebo prítomnosťou skratovaných závitov.

Každý z týchto zdrojov vytvára vibrácie s jedinečnými vlastnosťami. Preto je analýza vibrácií takým účinným diagnostickým nástrojom. Meraním a analýzou vibrácií môžeme nielen povedať, že „stroj silno vibruje“, ale s vysokou mierou pravdepodobnosti aj určiť ich hlavnú príčinu. Táto pokročilá diagnostická schopnosť je nevyhnutná pre akýkoľvek moderný program údržby.

1.2. Od časového signálu k spektru: Jednoduché vysvetlenie FFT

Snímač vibrácií (akcelerometer) nainštalovaný na telese ložiska premieňa mechanické kmitanie na elektrický signál. Ak sa tento signál zobrazí na obrazovke ako funkcia času, dostaneme časový signál alebo priebeh. Tento graf znázorňuje, ako sa amplitúda vibrácií mení v každom časovom okamihu.

V jednoduchom prípade, ako je čistá nevyváženosť, bude časový signál vyzerať ako hladký sínusoid. V skutočnosti však na stroj takmer vždy pôsobí niekoľko budiacich síl súčasne. Výsledkom je, že časový signál je zložitá, zdanlivo chaotická krivka, z ktorej je prakticky nemožné extrahovať užitočné diagnostické informácie.

Tu prichádza na pomoc matematický nástroj – rýchla Fourierova transformácia (FFT). Možno si ju predstaviť ako magický hranol pre vibračné signály.

Predstavte si, že komplexný časový signál je lúč bieleho svetla. Zdá sa nám jednotný a nerozoznateľný. Keď však tento lúč prechádza skleneným hranolom, rozloží sa na svoje základné farby – červenú, oranžovú, žltú atď., čím vytvorí dúhu. FFT robí to isté s vibračným signálom: vezme komplexnú krivku z časovej domény a rozloží ju na jednoduché sínusové zložky, z ktorých každá má svoju vlastnú frekvenciu a amplitúdu.

Výsledok tejto transformácie sa zobrazuje v grafe nazývanom vibračné spektrum. Spektrum je hlavným pracovným nástrojom pre každého, kto vykonáva vibračnú analýzu. Umožňuje vidieť, čo sa skrýva v časovom signále: aké „čisté“ vibrácie tvoria celkový hluk stroja.

1.3. Kľúčové parametre spektra, ktoré je potrebné pochopiť

Spektrum vibrácií, ktoré uvidíte na obrazovke Balanset-1A v režimoch „Vibrometer“ alebo „Grafy“, má dve osi, ktorých pochopenie je absolútne nevyhnutné pre diagnostiku.

Horizontálna os (X): Frekvencia

Táto os znázorňuje frekvenciu kmitov a meria sa v hertzoch (Hz). 1 Hz je jedna celá oscilácia za sekundu. Frekvencia priamo súvisí so zdrojom vibrácií. Rôzne mechanické a elektrické komponenty stroja generujú vibrácie na svojich charakteristických, predvídateľných frekvenciách. Keď poznáme frekvenciu, pri ktorej sa pozoruje vysoký vibračný vrchol, môžeme identifikovať vinníka – konkrétnu jednotku alebo poruchu.

Frekvencia otáčania (1x): Toto je najdôležitejšia frekvencia vo všetkých vibračných diagnostických metódach. Zodpovedá rýchlosti otáčania hriadeľa stroja. Napríklad, ak sa hriadeľ motora otáča rýchlosťou 3000 otáčok za minútu (ot./min), jeho rotačná frekvencia bude: f = 3000 ot./min / 60 s/min = 50 Hz. Táto frekvencia sa označuje ako 1x. Slúži ako referenčný bod na identifikáciu mnohých ďalších defektov.

Vertikálna os (Y): Amplitúda

Táto os zobrazuje intenzitu alebo silu vibrácií pri každej špecifickej frekvencii. V zariadení Balanset-1A sa amplitúda meria v milimetroch za sekundu (mm/s), čo zodpovedá strednej kvadratickej hodnote (RMS) rýchlosti vibrácií. Čím vyšší je vrchol v spektre, tým viac vibračnej energie je koncentrovaných pri danej frekvencii a spravidla tým závažnejšia je súvisiaca porucha.

Harmonické

Harmonické sú frekvencie, ktoré sú celočíselnými násobkami základnej frekvencie. Najčastejšie je základná frekvencia rotačná frekvencia 1x. Jej harmonické budú teda: 2x (druhá harmonická) = 2×1x, 3x (tretia harmonická) = 3×1x, 4x (štvrtá harmonická) = 4×1x atď. Prítomnosť a relatívna výška harmonických nesú kľúčové diagnostické informácie. Napríklad čistá nevyváženosť sa prejavuje hlavne pri 1x s veľmi nízkymi harmonickými. Mechanická uvoľnenosť alebo nesúososť hriadeľa však generujú celý „les“ vysokých harmonických (2x, 3x, 4x,...). Analýzou pomeru amplitúd medzi 1x a jej harmonickými je možné rozlíšiť rôzne typy porúch.

Časť 2: Získanie vibračného spektra pomocou Balanset-1A

Kvalita diagnostiky priamo závisí od kvality počiatočných údajov. Nesprávne merania môžu viesť k chybným záverom, zbytočným opravám alebo naopak k prehliadnutiu vyvíjajúcej sa chyby. Táto časť poskytuje praktický návod na zhromažďovanie presných a opakovateľných údajov pomocou vášho zariadenia.

2.1. Príprava na merania: Kľúč k presným údajom

Pred pripojením káblov a spustením programu je potrebné venovať zvýšenú pozornosť správnej inštalácii senzorov. Toto je najdôležitejšia fáza, ktorá určuje spoľahlivosť všetkých následných analýz.

Spôsob montáže: Balanset-1A sa dodáva s magnetickými základňami senzorov. Ide o pohodlný a rýchly spôsob montáže, ale pre jeho účinnosť je potrebné dodržiavať niekoľko pravidiel. Povrch v mieste merania musí byť:

• Čistý: Odstráňte nečistoty, hrdzu a olupujúcu sa farbu.
• Plochý: Snímač musí byť v jednej rovine s celým povrchom magnetu. Neinštalujte ho na zaoblené povrchy alebo hlavy skrutiek.
• Masívne: Merací bod by mal byť súčasťou nosnej konštrukcie stroja (napr. ložiskové teleso), nie tenkým ochranným krytom alebo chladiacim rebrom.

Pre stacionárne monitorovanie alebo na dosiahnutie maximálnej presnosti pri vysokých frekvenciách sa odporúča použiť závitové pripojenie (čap), ak to konštrukcia stroja umožňuje.

miesto: Sily vznikajúce počas prevádzky rotora sa prenášajú na kryt stroja cez ložiská. Preto je najlepším miestom na inštaláciu snímačov kryt ložísk. Snažte sa umiestniť snímač čo najbližšie k ložisku, aby ste merali vibrácie s minimálnym skreslením.

Smer merania: Vibrácie sú trojrozmerný proces. Pre úplný obraz o stave stroja by sa merania mali vykonávať v troch smeroch:

• Radiálna horizontálna (H): Kolmo na os hriadeľa, v horizontálnej rovine.
• Radiálna vertikálna (V): Kolmo na os hriadeľa, vo vertikálnej rovine.
• Axiálne (A): Rovnobežne s osou hriadeľa.

Tuhosť konštrukcie v horizontálnom smere je spravidla nižšia ako vo vertikálnom, takže amplitúda vibrácií v horizontálnom smere je často najvyššia. Preto sa horizontálny smer často volí pre počiatočné posúdenie. Axiálne vibrácie však nesú jedinečné informácie, ktoré sú kriticky dôležité pre diagnostiku defektov, ako je napríklad nesúososť hriadeľa.

Balanset-1A je dvojkanálové zariadenie, ktoré je v manuáli primárne uvažované z hľadiska dvojrovinného vyvažovania. Pre diagnostiku to však otvára oveľa širšie možnosti. Namiesto merania vibrácií na dvoch rôznych ložiskách je možné oba senzory pripojiť k tej istej ložiskovej jednotke, ale v rôznych smeroch. Napríklad kanál senzora 1 je možné inštalovať radiálne (horizontálne) a kanál senzora 2 axiálne. Súčasné snímanie spektier v dvoch smeroch umožňuje okamžité porovnanie axiálnych a radiálnych vibrácií, čo je štandardná technika v profesionálnej diagnostike pre spoľahlivú detekciu nesúososti. Táto metóda výrazne rozširuje diagnostické možnosti zariadenia a presahuje rámec toho, čo je popísané v manuáli.

2.2. Postup krok za krokom: Použitie režimu „Vibrometer“ (F5) pre rýchle posúdenie

Tento režim je určený na prevádzkové riadenie hlavných vibračných parametrov a je ideálny na rýchle posúdenie stavu stroja „na mieste“. Postup získania spektra v tomto režime je nasledovný:

1. Pripojenie senzorov: Nainštalujte vibračné senzory na vybrané miesta a pripojte ich ku vstupom X1 a X2 meracej jednotky. Pripojte laserový tachometer ku vstupu X3 a na hriadeľ pripevnite reflexnú značku.
2. Spustenie programu: V hlavnom okne programu Balanset-1A kliknite na tlačidlo „F5 – Merač vibrácií“.
3. Otvorí sa pracovné okno (obr. 7.4 v manuáli). V jeho hornej časti sa zobrazia digitálne hodnoty: celkové vibrácie (V1s), vibrácie pri rotačnej frekvencii (V1o), fáza (F1) a rýchlosť otáčania (N ot.).
4. Spustenie merania: Kliknite na tlačidlo „F9 – Spustiť“. Program začne zhromažďovať a zobrazovať údaje v reálnom čase.
5. Analýza spektra: V dolnej časti okna sa nachádza graf „Vibračné spektrum – kanál 1 a 2 (mm/s)“. Toto je vibračné spektrum. Vodorovná os zobrazuje frekvenciu v Hz a zvislá os zobrazuje amplitúdu v mm/s.

Tento režim umožňuje prvú, najdôležitejšiu diagnostickú kontrolu, odporúčanú aj v manuáli vyvažovania. Porovnajte hodnoty V1s (celkové vibrácie) a V1o (vibrácie pri rotačnej frekvencii 1x).

• Ak V1s≈V1o, znamená to, že väčšina vibračnej energie je sústredená na rotačnej frekvencii. Hlavnou príčinou vibrácií je s najväčšou pravdepodobnosťou nevyváženosť.
• Ak je V1s≫V1o, znamená to, že významná časť vibrácií je spôsobená inými zdrojmi (nesúososť, vôľa, chyby ložísk atď.). V tomto prípade jednoduché vyváženie problém nevyrieši a je potrebná hlbšia analýza spektra.

2.3. Podrobný návod: Použitie režimu „Grafy“ (F8) pre podrobnú analýzu

Pre serióznu diagnostiku vyžadujúcu detailnejšie skúmanie spektra je výrazne lepší režim „Grafy“. Poskytuje väčší a informatívnejší graf, ktorý uľahčuje identifikáciu píkov a analýzu ich štruktúry. Postup získania spektra v tomto režime:

1. Pripojte senzory rovnakým spôsobom ako v režime „Vibrometer“.
2. Režim spustenia: V hlavnom okne programu kliknite na tlačidlo „F8 – Grafy“.
3. Vyberte typ grafu: V otvorenom okne (obr. 7.19 v manuáli) sa v hornej časti nachádza rad tlačidiel. Kliknite na „F5-Spektrum (Hz)“.
4. Otvorí sa okno spektrálnej analýzy (obr. 7.23 v manuáli). V hornej časti sa zobrazí časový signál a v dolnej, hlavnej časti sa zobrazí vibračné spektrum.
5. Spustenie merania: Kliknite na tlačidlo „F9-Spustiť“. Zariadenie vykoná meranie a vytvorí podrobné grafy.

Spektrum získané v tomto režime je oveľa pohodlnejšie na analýzu. Môžete jasnejšie vidieť vrcholy na rôznych frekvenciách, vyhodnotiť ich výšku a identifikovať harmonické rady. Tento režim sa odporúča na diagnostiku porúch opísaných v nasledujúcej časti.

Časť 3: Diagnostika typických porúch pomocou vibračných spektier (do 1000 Hz)

Táto časť tvorí praktické jadro príručky. Naučíme sa tu čítať spektrá a korelovať ich so špecifickými mechanickými problémami. Pre pohodlie a rýchlu orientáciu v teréne sú hlavné diagnostické indikátory zhrnuté v konsolidovanej tabuľke. Poslúži ako rýchla referencia pri analýze reálnych údajov.

Tabuľka 3.1: Súhrn diagnostických indikátorov

Chyba	Primárny spektrálny podpis	Typické harmonické	Poznámky
Nerovnováha	Vysoká amplitúda pri 1× rotačnej frekvencii	Nízka	Dominujú radiálne vibrácie. Amplitúda sa kvadraticky zvyšuje s rýchlosťou.
Nesprávne zarovnanie	Vysoká amplitúda pri 2× rotačnej frekvencii	1×, 3×, 4×	Často sprevádzané axiálnymi vibráciami.
Mechanická vôľa	Viaceré harmonické 1× („les“ harmonických)	1×, 2×, 3×, 4×, 5×...	Subharmonické kmity (0,5×, 1,5×) sa môžu objaviť pri 1/2x, 3/2x atď. v dôsledku prasklín.
Porucha ložiska	Vrcholy na nesynchrónnych frekvenciách (BPFO, BPFI atď.)	Viaceré harmonické frekvencie defektov	Často viditeľné ako bočné pásy okolo vrcholov. Znie to ako „šum“ vo vysokofrekvenčnom rozsahu.
Porucha záberu ozubeného kolesa	Vysoká frekvencia ozubeného záberu (GMF) a jej harmonické kmity	Bočné pásma okolo GMF pri 1x	Označuje opotrebenie, poškodenie zubov alebo excentricitu.

Ďalej si podrobne rozoberieme každú z týchto nedostatkov.

3.1. Nevyváženosť: Najčastejší problém

Fyzická príčina: K nevyváženosti dochádza, keď sa ťažisko rotujúcej časti (rotora) nezhoduje s jej geometrickou osou otáčania. Vzniká tak „ťažké miesto“, ktoré počas otáčania generuje odstredivú silu pôsobiacu v radiálnom smere a prenášanú na ložiská a základ.

Spektrálne podpisy: Hlavným znakom je vrchol s vysokou amplitúdou presne na rotačnej frekvencii (1x). Vibrácie sú prevažne radiálne. Existujú dva hlavné typy nevyváženosti:

Statická nevyváženosť (jedna rovina)

Popis spektra: Spektrum je úplne ovládané jedným vrcholom na základnej rotačnej frekvencii (1x). Vibrácie sú sínusové s minimálnou energiou na ostatných frekvenciách.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Primárne silná rotačná frekvenčná zložka 1x. Malé alebo žiadne vyššie harmonické (čistý tón 1x).

Kľúčová vlastnosť: Veľká 1x amplitúda vo všetkých radiálnych smeroch. Vibrácie na oboch ložiskách sú vo fáze (bez fázového rozdielu medzi oboma koncami). Medzi horizontálnymi a vertikálnymi meraniami na tom istom ložisku sa často pozoruje fázový posun približne 90°.

Dynamická nevyváženosť (dvojrovinová / párová)

Popis spektra: Spektrum tiež vykazuje dominantný vrchol s frekvenciou raz za otáčku (1x), podobný statickej nevyváženosti. Vibrácie sú na úrovni otáčok, bez významného obsahu vyšších frekvencií, ak je problémom iba nevyváženosť.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Dominantná zložka 1x RPM (často s „kývaním“ alebo chvením rotora). Vyššie harmonické kmity sú vo všeobecnosti neprítomné, pokiaľ nie sú prítomné iné poruchy.

Kľúčová vlastnosť: 1x vibrácia na každom ložisku je mimo fázy — medzi vibráciami na oboch koncoch rotora je fázový rozdiel približne 180° (čo naznačuje nevyváženosť páru). Silný vrchol 1x s týmto fázovým vzťahom je znakom dynamickej nevyváženosti.

Čo robiť: Ak spektrum indikuje nevyváženosť, musí sa vykonať vyvažovací postup. Pre statickú nevyváženosť postačuje jednorovinné vyváženie (manuál, časť 7.4), pre dynamickú nevyváženosť – dvojrovinné vyváženie (manuál, časť 7.5).

3.2. Nesúososť hriadeľa: Skrytá hrozba

Fyzická príčina: K nesprávnemu zarovnaniu dochádza, keď sa osi otáčania dvoch spojených hriadeľov (napr. hriadeľa motora a hriadeľa čerpadla) nezhodujú. Pri otáčaní nesprávne zarovnaných hriadeľov vznikajú v spojke a ložiskách cyklické sily, ktoré spôsobujú vibrácie.

Rovnobežné vychýlenie (odsadené hriadele)

Popis spektra: Vibračné spektrum vykazuje zvýšenú energiu na základnej frekvencii (1x) a jej harmonických 2x a 3x, najmä v radiálnom smere. Typicky je dominantná zložka 1x s prítomným nesprávnym zarovnaním, sprevádzaná výraznou zložkou 2x.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Obsahuje významné píky pri frekvenciách otáčania hriadeľa 1x, 2x a 3x. Tieto sa objavujú prevažne pri meraniach radiálnych vibrácií (kolmo na hriadeľ).

Kľúčová vlastnosť: Vysoké vibrácie 1x a 2x v radiálnom smere sú indikatívne. Často sa pozoruje fázový rozdiel 180° medzi meraniami radiálnych vibrácií na opačných stranách spojky, čo ho odlišuje od čistej nevyváženosti.

Uhlové vychýlenie (šikmé hriadele)

Popis spektra: Frekvenčné spektrum vykazuje silné harmonické otáčky hriadeľa, najmä výraznú zložku otáčok 2x okrem zložky 1x. Pri 1x, 2x (a často aj 3x) sa objavujú vibrácie, pričom významné sú axiálne (pozdĺž hriadeľa) vibrácie.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Výrazné vrcholy pri 1x a 2x (a niekedy aj 3x) rýchlosti chodu. Zložka 2x je často rovnako veľká alebo väčšia ako 1x. Tieto frekvencie sú výrazné v spektre axiálnych vibrácií (pozdĺž osi stroja).

Kľúčová vlastnosť: Relatívne vysoká amplitúda druhej harmonickej (2x) v porovnaní s 1x v kombinácii so silnými axiálnymi vibráciami. Axiálne merania na oboch stranách spojky sú fázovo mimo fázy o 180°, čo je charakteristickým znakom uhlového posunu.

Čo robiť: Vyváženie tu nepomôže. Zastavte jednotku a vykonajte postup zarovnania hriadeľa pomocou špecializovaného náradia.

3.3. Mechanická uvoľnenosť: „Chrapčanie“ v stroji

Fyzická príčina: Táto chyba je spojená so stratou tuhosti v konštrukčných spojoch: uvoľnené skrutky, praskliny v základe, zvýšené vôle v ložiskových sedlách. V dôsledku vôlí dochádza k nárazom, ktoré vytvárajú charakteristický vibračný vzorec.

Mechanická uvoľnenosť (uvoľnenie komponentov)

Popis: V súčasnosti sa nachádza na území Slovenskej republiky: Spektrum je bohaté na frekvenčné zložky rýchlosti otáčania. Objavuje sa široký rozsah celočíselných násobkov 1x (od 1x do vyšších rádov, napríklad ~10x) so značnými amplitúdami. V niektorých prípadoch sa môžu objaviť aj subharmonické frekvencie (napr. 0,5x).

Spektrálne zložky: Dominantné sú viacnásobné frekvenčné zložky rýchlosti otáčania (1x, 2x, 3x ... až do ~10x). Niekedy môžu byť prítomné aj zlomkové (polovičné celočíselné) frekvenčné zložky pri 1/2x, 3/2x atď. v dôsledku opakovaných nárazov.

Kľúčová vlastnosť: Charakteristický „sériový rad vrcholov“ v spektre – početné rovnomerne rozmiestnené vrcholy pri frekvenciách, ktoré sú celočíselnými násobkami rýchlosti otáčania. To naznačuje stratu tuhosti alebo nesprávnu montáž častí spôsobujúcu opakované nárazy. Kľúčovým ukazovateľom je prítomnosť mnohých harmonických (a možno aj polovičných celočíselných subharmonických).

Štrukturálna uvoľnenosť (voľnosť základne/montáže)

Popis: V súčasnosti sa nachádza na území Slovenskej republiky: Vo vibračnom spektre často dominujú vibrácie na základnej alebo dvojnásobnej rotačnej frekvencii. Vrchol sa zvyčajne objavuje pri 1x a/alebo 2x. Vyššie harmonické (nad 2x) majú zvyčajne oveľa menšie amplitúdy v porovnaní s týmito hlavnými.

Spektrálne zložky: Prevažne zobrazuje frekvenčné zložky pri rýchlostiach hriadeľa 1x a 2x. Ostatné harmonické (3x, 4x atď.) zvyčajne chýbajú alebo sú nevýznamné. Zložka 1x alebo 2x môže dominovať v závislosti od typu vôle (napr. jeden náraz na otáčku alebo dva nárazy na otáčku).

Kľúčová vlastnosť: Výrazne vysoké vrcholy pri 1x alebo 2x (alebo oboch) v porovnaní so zvyškom spektra, čo naznačuje uvoľnenie ložísk alebo konštrukcie. Vibrácie sú silnejšie vo vertikálnom smere, ak je stroj voľne namontovaný. Jeden alebo dva dominantné vrcholy nízkeho rádu s malým počtom harmonických vyššieho rádu sú charakteristické pre uvoľnenie konštrukcie alebo základov.

Čo robiť: Je potrebná dôkladná kontrola jednotky. Skontrolujte všetky prístupné upevňovacie skrutky (ložiská, puzdro). Skontrolujte rám a základ, či nie sú prasknuté. Ak je vnútorná vôľa (napr. sedlo ložiska), môže byť potrebná demontáž jednotky.

3.4. Vady valivých ložísk: Včasné varovanie

Fyzická príčina: Výskyt defektov (jamky, odlupovanie, opotrebovanie) na valivých plochách (vnútorný krúžok, vonkajší krúžok, valivé telesá) alebo na klietke. Vždy, keď sa valivý prvok prevalí cez defekt, vznikne krátky nárazový impulz. Tieto impulzy sa opakujú so špecifickou frekvenciou charakteristickou pre každý ložiskový prvok.

Spektrálne podpisy: Vady ložísk sa objavujú ako vrcholy pri nesynchrónnych frekvenciách, t. j. pri frekvenciách, ktoré nie sú celočíselnými násobkami rotačnej frekvencie (1x). Tieto frekvencie (BPFO - frekvencia defektu vonkajšieho krúžku, BPFI - vnútorný krúžok, BSF - valivý element, FTF - klietka) závisia od geometrie ložiska a rýchlosti otáčania. Pre začínajúceho diagnostika nie je potrebné vypočítavať ich presné hodnoty. Hlavné je naučiť sa rozpoznať ich prítomnosť v spektre.

Defekt vonkajšieho krúžku

Popis spektra: Spektrum vibrácií vykazuje sériu vrcholov zodpovedajúcich frekvencii defektu vonkajšieho krúžku a jeho harmonickým. Tieto vrcholy sú zvyčajne na vyšších frekvenciách (nie celočíselných násobkoch otáčok hriadeľa) a indikujú vždy, keď valivý prvok prechádza cez defekt vonkajšieho krúžku.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Prítomných je viacero harmonických frekvencie prechodu guľôčky vonkajšieho krúžku (BPFO). V spektre možno typicky pozorovať 8 – 10 harmonických BPFO pri výraznej poruche vonkajšieho krúžku. Vzdialenosť medzi týmito vrcholmi sa rovná BPFO (charakteristickej frekvencii určenej geometriou ložiska a rýchlosťou).

Kľúčová vlastnosť: Charakteristickým znakom je zreteľný sled vrcholov na BPFO a jeho po sebe nasledujúcich harmonických. Prítomnosť mnohých rovnomerne rozmiestnených vysokofrekvenčných vrcholov (BPFO, 2xBPFO, 3xBPFO, ...) jasne poukazuje na poruchu vonkajšieho krúžku ložiska.

Defekt vnútorného krúžku

Popis spektra: Spektrum poruchy vnútorného krúžku vykazuje niekoľko výrazných vrcholov na frekvencii poruchy vnútorného krúžku a jej harmonických. Okrem toho je každý z týchto vrcholov frekvencie poruchy typicky sprevádzaný vrcholmi bočného pásma rozmiestnenými na frekvencii prevádzkovej rýchlosti (1x).

Stručný popis spektrálnych zložiek: Obsahuje viacero harmonických frekvencie priechodu guľôčky vnútorného krúžku (BPFI), často rádovo 8 – 10 harmonických. Charakteristicky sú tieto vrcholy BPFI modulované bočnými pásmami pri ±1x otáčkach za minútu – čo znamená, že vedľa každej harmonickej BPFI sa objavujú menšie bočné vrcholy, oddelené od hlavného vrcholu o hodnotu rovnajúcu sa frekvencii otáčania hriadeľa.

Kľúčová vlastnosť: Výrazným znakom je prítomnosť harmonických frekvencie defektu vnútorného krúžku (BPFI) s bočným pásmovým vzorom. Bočné pásma rozmiestnené podľa rýchlosti hriadeľa okolo harmonických BPFI naznačujú, že defekt vnútorného krúžku je zaťažený raz za otáčku, čo potvrdzuje skôr problém s vnútorným krúžkom ako s vonkajším krúžkom.

Porucha valivého telesa (guľôčka/valček)

Popis spektra: Porucha valivého telesa (guľôčky alebo valčeka) spôsobuje vibrácie na úrovni otáčavej frekvencie valivého telesa a jeho harmonických. Spektrum bude ukazovať sériu vrcholov, ktoré nie sú celočíselnými násobkami otáčok hriadeľa, ale skôr násobkami otáčavej frekvencie guľôčky/valčeka (BSF). Jeden z týchto harmonických vrcholov je často výrazne väčší ako ostatné, čo odráža, koľko valivých telies je poškodených.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Objavia sa vrcholy na základnej frekvencii defektu valivého telesa (BSF) a jej harmonických. Napríklad BSF, 2xBSF, 3xBSF atď. Je potrebné poznamenať, že amplitúdový vzorec týchto vrcholov môže naznačovať počet poškodených prvkov – napr. ak je druhá harmonická najväčšia, môže to naznačovať, že dve guľôčky/valčeky majú odlupovanie. Často to sprevádzajú určité vibrácie na frekvenciách poruchy valivého telesa, pretože poškodenie valivého telesa bežne vedie aj k poškodeniu valivého telesa.

Kľúčová vlastnosť: Prítomnosť série vrcholov rozmiestnených podľa BSF (frekvencia otáčania ložiskového prvku) a nie podľa frekvencie otáčania hriadeľa identifikuje chybu valivého prvku. Obzvlášť vysoká amplitúda N-tej harmonickej BSF často naznačuje, že N prvkov je poškodených (napr. veľmi vysoký vrchol 2xBSF môže naznačovať dve guľôčky s chybami).

Porucha klietky (ložisková klietka / FTF)

Popis spektra: Porucha klietky (separátora) vo valivom ložisku spôsobuje vibrácie na rotačnej frekvencii klietky – základnej frekvencii vlaku (FTF) – a jej harmonických. Tieto frekvencie sú zvyčajne subsynchrónne (pod otáčkami hriadeľa). Spektrum bude vykazovať vrcholy pri FTF, 2xFTF, 3xFTF atď. a často aj určitú interakciu s frekvenciami iných ložísk v dôsledku modulácie.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Nízkofrekvenčné vrcholy zodpovedajúce rotačnej frekvencii klietky (FTF) a jej celočíselným násobkom. Napríklad, ak FTF ≈ 0,4x otáčok hriadeľa, môžete vidieť vrcholy pri ~0,4x, ~0,8x, ~1,2x atď. V mnohých prípadoch chyba klietky koexistuje s chybami pretekania, takže FTF môže modulovať signály chyb pretekania a vytvárať súčtové/rozdielové frekvencie (bočné pásma okolo frekvencií pretekania).

Kľúčová vlastnosť: Jeden alebo viac subharmonických vrcholov (pod 1x), ktoré sa zhodujú s rýchlosťou otáčania klietky ložiska (FTF), naznačujú problém s klietkou. Často sa objavuje spolu s inými indikáciami poruchy ložiska. Kľúčovým znakom je prítomnosť FTF a jej harmonických v spektre, čo je inak nezvyčajné, pokiaľ klietka nezlyháva.

Čo robiť: Výskyt frekvencií ložísk je výzvou na akciu. Je potrebné zintenzívniť monitorovanie tejto jednotky, skontrolovať stav mazania a čo najskôr začať plánovať výmenu ložiska.

3.5. Poruchy prevodového stupňa

Excentricita ozubeného kolesa / ohnutý hriadeľ

Popis spektra: Táto porucha spôsobuje moduláciu vibrácií záberu ozubeného kolesa. V spektre je vrchol frekvencie záberu ozubeného kolesa (GMF) obklopený vrcholmi bočných pásiem rozmiestnenými na úrovni frekvencie otáčania hriadeľa ozubeného kolesa (1x otáčky ozubeného kolesa). Často sú aj vlastné vibrácie ozubeného kolesa s 1x prevádzkovou rýchlosťou zvýšené v dôsledku efektu excentricity podobného nevyváženosti.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Výrazný nárast amplitúdy na frekvencii záberu ozubeného kolesa a jeho nižších harmonických (napr. 1x, 2x, 3x GMF). Okolo GMF (a niekedy aj okolo jej harmonických) sa objavujú zreteľné bočné pásy v intervaloch rovných 1x rýchlosti otáčania dotknutého ozubeného kolesa. Prítomnosť týchto bočných pásiem naznačuje amplitúdovú moduláciu frekvencie záberu otáčaním ozubeného kolesa.

Kľúčová vlastnosť: Charakteristickým znakom je frekvencia záberu ozubených kolies s výraznými bočnými pásmami pri frekvencii 1x ozubeného kolesa. Tento vzor bočných pásiem (vrcholy rovnomerne rozmiestnené okolo GMF podľa rýchlosti jazdy) silne naznačuje excentricitu ozubeného kolesa alebo ohnutý hriadeľ ozubeného kolesa. Okrem toho môžu byť základné vibrácie ozubeného kolesa (1x) vyššie ako normálne.

Opotrebovanie alebo poškodenie zubov ozubeného kolesa

Popis spektra: Poruchy zubov ozubeného kolesa (ako napríklad opotrebované alebo zlomené zuby) spôsobujú zvýšenie vibrácií na frekvencii záberu ozubeného kolesa a jeho harmonických. Spektrum často vykazuje viacero vrcholov GMF (1xGMF, 2xGMF atď.) s vysokou amplitúdou. Okrem toho sa okolo týchto vrcholov GMF objavuje množstvo bočných pásiem frekvencií, ktoré sú rozmiestnené podľa frekvencie otáčania hriadeľa. V niektorých prípadoch možno pozorovať aj budenie vlastných frekvencií ozubeného kolesa (rezonancií) s bočnými pásmami.

Stručný popis spektrálnych zložiek: Zvýšené vrcholy na frekvencii záberu ozubeného kolesa (frekvencia záberu zubov) a jej harmonických (napríklad 2xGMF). Okolo každej hlavnej harmonickej GMF sa nachádzajú vrcholy bočných pásiem oddelené rýchlosťou chodu 1x. Počet a veľkosť bočných pásiem okolo zložiek 1x, 2x, 3x GMF má tendenciu sa zvyšovať so závažnosťou poškodenia zubov. V závažných prípadoch sa môžu objaviť ďalšie vrcholy zodpovedajúce rezonančným frekvenciám ozubeného kolesa (s vlastnými bočnými pásmi).

Kľúčová vlastnosť: Charakteristickým znakom je viacero vysokoamplitúdových harmonických kmitočtov záberu ozubených kolies sprevádzaných hustými bočnými pásmami. To naznačuje nepravidelný prechod zubov v dôsledku opotrebovania alebo zlomenia zuba. Silne opotrebované alebo poškodené ozubené koleso bude vykazovať rozsiahle bočné pásma (v intervaloch 1x rýchlosti ozubeného kolesa) okolo vrcholov kmitočtu záberu, čím sa odlišuje od zdravého ozubeného kolesa (ktoré by malo čistejšie spektrum sústredené v GMF).

Čo robiť: Výskyt frekvencií súvisiacich s ozubenými prevodmi si vyžaduje zvýšenú pozornosť. Odporúča sa skontrolovať stav oleja v prevodovke, či neobsahuje kovové častice, a naplánovať si kontrolu prevodovky na posúdenie opotrebovania alebo poškodenia zubov.

Je dôležité pochopiť, že v reálnych podmienkach stroje zriedka trpia iba jednou poruchou. Veľmi často je spektrum kombináciou znakov viacerých porúch, ako je nevyváženosť a nesprávne súosovenie. To môže byť pre začínajúceho diagnostika mätúce. V takýchto prípadoch platí jednoduché pravidlo: najprv riešte problém zodpovedajúci vrcholu s najväčšou amplitúdou. Často jedna závažná porucha (napr. závažné nesprávne súosovenie) spôsobuje sekundárne problémy, ako je zvýšené opotrebovanie ložísk alebo uvoľnenie spojovacích prvkov. Odstránením základnej príčiny môžete výrazne znížiť prejavy sekundárnych porúch.

Časť 4: Praktické odporúčania a ďalšie kroky

Po zvládnutí základov interpretácie spektra ste urobili prvý a najdôležitejší krok. Teraz je potrebné integrovať tieto znalosti do vašej každodennej údržbárskej praxe. Táto časť je venovaná tomu, ako prejsť od jednorazových meraní k systematickému prístupu a ako využiť získané údaje na prijímanie informovaných rozhodnutí.

4.1. Od jedného merania k monitorovaniu: Sila trendov

Jednotlivé spektrum je len „snímkou“ stavu stroja v danom časovom okamihu. Môže byť veľmi informatívne, ale jeho skutočná hodnota sa odhalí v porovnaní s predchádzajúcimi meraniami. Tento proces sa nazýva monitorovanie stavu alebo analýza trendov.

Myšlienka je veľmi jednoduchá: namiesto posudzovania stavu stroja podľa absolútnych hodnôt vibrácií („dobrý“ alebo „zlý“) sledujete, ako sa tieto hodnoty menia v priebehu času. Pomalý, postupný nárast amplitúdy pri určitej frekvencii naznačuje systematické opotrebovanie, zatiaľ čo náhly skok je alarmovým signálom, ktorý naznačuje rýchly vývoj poruchy.

Praktický tip:

• Vytvorte základné spektrum: Vykonajte dôkladné meranie na novom, novo opravenom alebo známom dobrom zariadení. Uložte si tieto údaje (spektrá a číselné hodnoty) do archívu programu Balanset-1A. Toto je váš „štandardný test stavu“ pre tento stroj.
• Stanoviť periodicitu: Určte si, ako často budete vykonávať kontrolné merania. V prípade kriticky dôležitých zariadení to môže byť raz za dva týždne; v prípade pomocných zariadení raz za mesiac alebo štvrťrok.
• Zabezpečenie opakovateľnosti: Merania vykonávajte vždy v rovnakých bodoch, v rovnakých smeroch a ak je to možné, za rovnakých prevádzkových podmienok stroja (zaťaženie, teplota).
• Porovnajte a analyzujte: Po každom novom meraní porovnajte získané spektrum so základnou líniou a predchádzajúcimi. Venujte pozornosť nielen výskytu nových vrcholov, ale aj zvýšeniu amplitúdy existujúcich vrcholov. Prudký nárast amplitúdy akéhokoľvek vrcholu (napr. dvojnásobok v porovnaní s predchádzajúcim meraním) je spoľahlivým signálom rozvíjajúcej sa chyby, aj keď je absolútna hodnota vibrácií stále v rámci prijateľných limitov podľa noriem ISO.

4.2. Kedy vyvážiť a kedy hľadať inú príčinu?

Konečným cieľom diagnostiky nie je len nájsť chybu, ale urobiť správne rozhodnutie o potrebných krokoch. Na základe spektrálnej analýzy je možné zostaviť jednoduchý a efektívny rozhodovací algoritmus.

Akčný algoritmus založený na spektrálnej analýze:

1. Získajte vysokokvalitné spektrum pomocou Balanset-1A, najlepšie v režime „Grafy“ (F8), meraním v radiálnom aj axiálnom smere.
2. Identifikujte vrchol s najväčšou amplitúdou. Označuje dominantný problém, ktorý by sa mal riešiť ako prvý.
3. Určte typ poruchy podľa frekvencie tohto vrcholu:
   • Ak dominuje vrchol 1x: Najpravdepodobnejšou príčinou je nerovnováha.
     Akcia: Vykonajte dynamické vyvažovanie pomocou funkcií zariadenia Balanset-1A.
   • Ak dominuje vrchol 2x (najmä ak je vysoký v axiálnom smere): Najpravdepodobnejšou príčinou je nesprávne zarovnanie hriadeľa.
     Akcia: Vyvažovanie je neúčinné. Je potrebné zastaviť jednotku a vykonať zarovnanie hriadeľa.
   • Ak sa pozoruje „les“ mnohých harmonických (1x, 2x, 3x,...): Najpravdepodobnejšou príčinou je mechanické uvoľnenie.
     Akcia: Vykonajte vizuálnu kontrolu. Skontrolujte a dotiahnite všetky montážne skrutky. Skontrolujte rám a základ, či nie sú prasknuté.
   • Ak v strednom alebo vysokofrekvenčnom rozsahu dominujú nesynchrónne vrcholy: Najpravdepodobnejšou príčinou je chyba valivého ložiska.
     Akcia: Skontrolujte mazanie v ložiskovej jednotke. Začnite plánovať výmenu ložiska. Zvýšte frekvenciu monitorovania tejto jednotky, aby ste sledovali rýchlosť vývoja porúch.
   • Ak dominuje frekvencia záberu ozubeného kolesa (GMF) s bočnými pásmami: Najpravdepodobnejšou príčinou je porucha prevodového stupňa.
     Akcia: Skontrolujte stav oleja v prevodovke. Naplánujte si kontrolu prevodovky, aby ste zistili opotrebovanie alebo poškodenie zubov.

Tento jednoduchý algoritmus umožňuje prechod od abstraktnej analýzy ku konkrétnym, cieleným údržbárskym opatreniam, čo je konečným cieľom všetkých diagnostických prác.

Záver

Zariadenie Balanset-1A, pôvodne navrhnuté ako špecializovaný nástroj na vyvažovanie, má výrazne väčší potenciál. Schopnosť získavať a zobrazovať vibračné spektrá ho transformuje na výkonný analyzátor vibrácií pre začiatočníkov. Tento článok mal byť mostom medzi prevádzkovými možnosťami zariadenia opísaného v manuáli a základnými znalosťami potrebnými na interpretáciu získaných údajov z vašich analýz vibrácií.

Zvládnutie základných zručností spektrálnej analýzy nie je len o štúdiu teórie, ale o získaní praktického nástroja na zvýšenie efektivity vašej práce. Pochopenie toho, ako sa rôzne poruchy – nevyváženosť, nesprávne zarovnanie, uvoľnenie a chyby ložísk – prejavujú ako jedinečné „odtlačky prstov“ na vibračnom spektre, vám umožňuje nazrieť do bežiaceho stroja bez toho, aby ste ho museli rozoberať.

Kľúčové poznatky z tejto príručky:

• Vibrácia je informácia. Každý vrchol v spektre nesie informáciu o špecifickom procese prebiehajúcom v mechanizme.
• FFT je váš prekladač. Rýchla Fourierova transformácia prekladá zložitý a chaotický jazyk vibrácií do jednoduchého a zrozumiteľného jazyka frekvencií a amplitúd.
• Diagnostika je rozpoznávanie vzorcov. Naučením sa identifikovať charakteristické spektrálne vzory pre hlavné chyby môžete rýchlo a presne určiť hlavnú príčinu zvýšených vibrácií.
• Trendy sú dôležitejšie ako absolútne hodnoty. Pravidelné monitorovanie a porovnávanie aktuálnych údajov s východiskovými údajmi sú základom prediktívneho prístupu, ktorý umožňuje identifikovať problémy v najskoršom štádiu.

Cesta k tomu, aby ste sa stali sebavedomým a kompetentným analytikom vibrácií, si vyžaduje čas a prax. Nebojte sa experimentovať, zbierať údaje z rôznych zariadení a vytvárať si vlastnú knižnicu „spektier zdravia“ a „spektier chorôb“. Táto príručka vám poskytla mapu a kompas. Použite Balanset-1A nielen na „liečbu“ symptómov vyvážením, ale aj na stanovenie presnej „diagnózy“. Tento prístup vám umožní výrazne zvýšiť spoľahlivosť vášho zariadenia, znížiť počet núdzových vypnutí a prejsť na kvalitatívne novú úroveň údržby.