Pochopenie radiálnych vibrácií v rotujúcich strojoch
Definícia: Čo je to radiálna vibrácia?
Radiálne vibrácie je pohyb rotujúceho hriadeľa kolmý na jeho os otáčania, ktorý sa rozprestiera smerom von od stredu ako polomery kružnice. Pojem “radiálny” označuje akýkoľvek smer vyžarujúci zo stredovej čiary hriadeľa a zahŕňa horizontálny (zo strany na stranu) aj vertikálny (hore a dole) pohyb. Radiálne vibrácie sú synonymom pre bočné vibrácie alebo priečne vibrácie a predstavujú najčastejšie meranú a monitorovanú formu vibrácie v rotačných strojoch.
V praktických aplikáciách sa radiálne vibrácie zvyčajne merajú v dvoch kolmých smeroch – horizontálnom a vertikálnom – v každom ložisku, aby sa získal úplný obraz o pohybe hriadeľa kolmom na jeho os.
Pokyny merania
Horizontálne radiálne vibrácie
Horizontálne vibrácie sa merajú v smere zo strany na stranu:
- Kolmo na os hriadeľa a rovnobežne so zemou/podlahou
- Často najdostupnejšie miesto merania
- Typicky ukazuje účinky gravitácie, asymetrie tuhosti základov a horizontálnych silových funkcií
- Štandardná orientácia merania pre väčšinu programov monitorovania vibrácií
Vertikálne radiálne vibrácie
Vertikálne vibrácie sa merajú v smere hore a dole:
- Kolmo na os hriadeľa a kolmo na zem/podlahu
- Ovplyvnené gravitáciou a hmotnosťou rotora
- Často vyššia amplitúda ako horizontálna kvôli hmotnosti rotora, čo vytvára asymetrickú tuhosť
- Kritické pre detekciu problémov vo vertikálne orientovaných strojoch (vertikálne čerpadlá, motory)
Celkové radiálne vibrácie
Celkové radiálne vibrácie možno vypočítať ako vektorový súčet horizontálnych a vertikálnych zložiek:
- Radiálny súčet = √(horizontálny² + vertikálny²)
- Predstavuje skutočnú veľkosť pohybu bez ohľadu na smer
- Užitočné pre hodnotenie závažnosti pomocou jedného čísla
Primárne príčiny radiálnych vibrácií
Radiálne vibrácie sú generované silami pôsobiacimi kolmo na os hriadeľa:
1. Nerovnováha (dominantná príčina)
Nerovnováha je najčastejším zdrojom radiálnych vibrácií v rotačných strojoch:
- Vytvára odstredivú silu otáčajúcu sa rýchlosťou hriadeľa (1X)
- Veľkosť sily úmerná hmotnosti nevyváženosti, polomeru a druhej mocnine rýchlosti
- Vytvára kruhové alebo eliptické tvary obežná dráha hriadeľa
- Opraviteľné prostredníctvom vyvažovanie postupy
2. Nesprávne zarovnanie
Nesúososť hriadeľa medzi spojenými strojmi vytvára radiálne aj axiálne vibrácie:
- Primárne 2X (dvakrát za otáčku) radiálne vibrácie
- Generuje tiež 1X, 3X a vyššie harmonické
- Vysoké axiálne vibrácie sprevádzajú radiálne vibrácie
- Fázové vzťahy medzi ložiskami diagnostikujú typ nesprávneho zarovnania
3. Mechanické chyby
Rôzne mechanické problémy spôsobujú charakteristické radiálne vibračné vzory:
- Vady ložísk: Vysokofrekvenčné nárazy pri frekvenciách porúch ložísk
- Ohnutý alebo prehnutý hriadeľ: 1X vibrácie podobné nevyváženosti, ale prítomné aj pri pomalom otáčaní
- Voľnosť: Viaceré harmonické (1X, 2X, 3X) s nelineárnym správaním
- Trhliny: 1X a 2X vibrácie so zmenami počas spustenia/vypnutia
- Trenie: Subsynchrónne a synchrónne komponenty
4. Aerodynamické a hydraulické sily
Procesné sily v čerpadlách, ventilátoroch a kompresoroch vytvárajú radiálne pôsobenie:
- Frekvencia prechodu lopatiek (počet lopatiek × otáčky za minútu)
- Hydraulická nevyváženosť z asymetrického prietoku
- Vortexové odlupovanie a turbulencia prúdenia
- Recirkulácia a prevádzka mimo projektovaného rozsahu
5. Rezonančné podmienky
Pri prevádzke v blízkosti kritické rýchlosti, radiálne vibrácie sa dramaticky zosilňujú:
- Prirodzená frekvencia sa zhoduje s frekvenciou vynútenia
- Amplitúda obmedzená iba systémom tlmenie
- Potenciál katastrofických úrovní vibrácií
- Vyžaduje si dostatočné oddeľovacie rezervy v dizajne
Meracie štandardy a parametre
Merné jednotky
Radiálne vibrácie možno vyjadriť tromi súvisiacimi parametrami:
- Výtlak: Skutočná vzdialenosť pohybu (mikrometre, µm, mils). Používa sa na meranie nízkorýchlostných strojov a bezdotykových sond.
- Rýchlosť: Rýchlosť zmeny posunutia (mm/s, in/s). Najbežnejšie pre všeobecné priemyselné stroje, základ pre normy ISO.
- Zrýchlenie: Rýchlosť zmeny rýchlosti (m/s², g). Používa sa na vysokofrekvenčné merania a detekciu defektov ložísk.
Medzinárodné normy
Séria noriem ISO 20816 stanovuje limity závažnosti radiálnych vibrácií:
- ISO 20816-1: Všeobecné pokyny pre hodnotenie vibrácií strojov
- ISO 20816-3: Špecifické kritériá pre priemyselné stroje > 15 kW
- Zóny závažnosti: A (dobré), B (prijateľné), C (neuspokojivé), D (neprijateľné)
- Miesto merania: Typicky na ložiskových telesách v radiálnych smeroch
Normy špecifické pre dané odvetvie
- API 610: Limity radiálnych vibrácií odstredivých čerpadiel
- API 617: Kritériá vibrácií odstredivých kompresorov
- API 684: Postupy analýzy dynamiky rotora pre predikciu radiálnych vibrácií
- NEMA MG-1: Limity vibrácií elektromotora
Monitorovacie a diagnostické techniky
Rutinný monitoring
Štandardné programy na monitorovanie vibrácií merajú radiálne vibrácie:
- Zber na základe trasy: Pravidelné merania v pevných intervaloch (mesačne, štvrťročne)
- Celkový trend úrovne: Sledovanie celkovej amplitúdy vibrácií v priebehu času
- Limity alarmu: Nastavené na základe noriem ISO alebo noriem špecifických pre dané zariadenie
- Porovnanie: Súčasná vs. základná línia, horizontálna vs. vertikálna
Pokročilá analýza
Podrobná analýza radiálnych vibrácií poskytuje diagnostické informácie:
- Analýza rýchlej premeny (FFT): Frekvenčné spektrum zobrazujúce vibračné zložky
- Časový priebeh: Vibračný signál v priebehu času odhaľujúci prechodové javy a moduláciu
- Fázová analýza: Časové vzťahy medzi meracími bodmi
- Analýza obežnej dráhy: Vzory pohybu stredovej čiary hriadeľa
- Analýza obálky: Vysokofrekvenčná demodulácia na detekciu defektov ložísk
Nepretržité monitorovanie
Kritické zariadenia majú často permanentné monitorovanie radiálnych vibrácií:
- Bezdotykové sondy na priame meranie pohybu hriadeľa
- Permanentne namontované akcelerometre na ložiskových telesách
- Trendy a alarmujúce informácie v reálnom čase
- Integrácia automatického ochranného systému
Horizontálne a vertikálne rozdiely
Typické vzťahy medzi amplitúdou
V mnohých strojoch vertikálne radiálne vibrácie prevyšujú horizontálne:
- Gravitačný efekt: Hmotnosť rotora vytvára statickú deformáciu, ktorá ovplyvňuje vertikálnu tuhosť
- Asymetrická tuhosť: Základové a nosné konštrukcie sú často horizontálne tuhšie
- Typický pomer: Bežné sú vertikálne vibrácie 1,5-2× horizontálne
- Účinok vyváženia hmotnosti: Korekčné závažia umiestnené na spodnej strane rotora (ľahký prístup) prednostne znižujú vertikálne vibrácie
Diagnostické rozdiely
- Nevyváženosť: Môže sa prejavovať silnejšie v jednom smere v závislosti od miesta nevyváženosti
- Voľnosť: Často vykazuje nelinearitu výraznejšiu vo vertikálnom smere
- Problémy s nadáciou: Vertikálne vibrácie sú citlivejšie na zhoršenie stavu základov
- Nesprávne zarovnanie: Môže sa zobrazovať odlišne v horizontálnom a vertikálnom smere v závislosti od typu nesprávneho zarovnania
Vzťah k dynamike rotora
Radiálne vibrácie sú ústredným prvkom dynamika rotora analýza:
Kritické rýchlosti
- Radiálne vlastné frekvencie určujú kritické rýchlosti
- Prvá kritická rýchlosť typicky zodpovedá prvému radiálnemu ohybovému módu
- Campbellove diagramy predpovedať správanie radiálnych vibrácií v závislosti od rýchlosti
- Oddelovacie okraje od kritických rýchlostí zabraňujú nadmerným radiálnym vibráciám
Tvary režimu
- Každý radiálny vibračný mód má charakteristický tvar vychýlenia
- Prvý režim: jednoduché oblúkové ohýbanie
- Druhý režim: S-krivka s uzlovým bodom
- Vyššie módy: čoraz zložitejšie vzory
Vyvažovacie úvahy
- Vyvažovanie sa zameriava na zníženie radiálnych vibrácií pri 1-násobnej frekvencii
- Koeficienty vplyvu vzťahovať korekčné závažia k zmenám radiálnych vibrácií
- Optimálne umiestnenie korekčnej roviny na základe tvarov radiálneho módu
Metódy korekcie a kontroly
Pre nevyváženosť
- Vyvažovanie v teréne pomocou prenosných analyzátorov
- Jednoliarovinný alebo vyvažovanie v dvoch rovinách postupy
- Presné vyvažovanie kritických komponentov v dielni
Pre mechanické problémy
- Presné zarovnanie na korekciu nesprávneho zarovnania
- Výmena ložiska pri chybách ložiska
- Uťahovanie uvoľnených komponentov
- Opravy základov kvôli štrukturálnym problémom
- Rovnanie hriadeľa alebo výmena ohnutých hriadeľov
Pre problémy s rezonanciou
- Zmeny rýchlosti, aby sa predišlo kritickým rozsahom rýchlosti
- Úpravy tuhosti (priemer hriadeľa, zmeny umiestnenia ložiska)
- Vylepšenia tlmenia (tlmiče s kompresným filmom, výber ložísk)
- Zmeny hmotnosti na posun prirodzených frekvencií
Dôležitosť prediktívnej údržby
Monitorovanie radiálnych vibrácií je základom programov prediktívnej údržby:
- Včasná detekcia porúch: Zmeny radiálnych vibrácií predchádzajú poruchám o týždne alebo mesiace
- Trendy: Postupné zvyšovanie naznačuje rozvíjajúce sa problémy
- Diagnostika poruchy: Frekvenčný obsah identifikuje špecifické typy porúch
- Posúdenie závažnosti: Amplitúda označuje závažnosť a naliehavosť problému
- Plánovanie údržby: Údržba založená na stave, nie na čase
- Úspora nákladov: Zabraňuje katastrofálnym poruchám a optimalizuje intervaly údržby
Radiálne vibrácie, ako primárne meranie vibrácií v rotačných strojoch, poskytujú dôležité informácie o stave zariadenia, vďaka čomu sú nevyhnutné pre zabezpečenie spoľahlivej, bezpečnej a efektívnej prevádzky priemyselných rotačných zariadení.
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 