Wibracje jako wczesny sygnał problemów technicznych – czego można dowiedzieć się przed wystąpieniem awarii?

Maszyna rzadko przechodzi od stanu sprawnego do awarii w jednej chwili. Znacznie częściej wcześniej zmienia sposób pracy: pojawia się niewielkie niewyważenie, rośnie luz, pogarsza się stan łożyska albo sprzęgło zaczyna przenosić obciążenie inaczej niż dotychczas. Operator może jeszcze niczego nie słyszeć, temperatura obudowy może pozostawać normalna, a produkcja przebiegać bez zakłóceń. Zmianę da się jednak zobaczyć w drganiach maszyny.

To właśnie dlatego pomiary wibracji są tak użyteczne w utrzymaniu ruchu. Nie odpowiadają jedynie na pytanie, czy urządzenie „drga za mocno”. Dobrze wykonany pomiar pozwala określić, co się zmieniło, z jaką częstotliwością występuje problem i jak szybko postępuje. To daje czas na decyzję: obserwować maszynę, zaplanować interwencję na najbliższy postój czy zatrzymać ją wcześniej, zanim drobna wada zmieni się w uszkodzenie wału, łożyska albo sprzęgła.

Nie sama wartość drgań, lecz ich częstotliwość mówi, czego szukać

Najprostszy błąd w diagnostyce drganiowej polega na patrzeniu wyłącznie na jedną liczbę, np. prędkość drgań RMS wyrażoną w mm/s. Taka wartość dobrze nadaje się do obserwowania ogólnego stanu maszyny, ale sama zwykle nie wskazuje przyczyny.

Znacznie więcej informacji daje widmo częstotliwości.

Jeżeli silnik pracuje z prędkością 1500 obr./min, jego częstotliwość obrotowa wynosi około 25 Hz:

1500 / 60 = 25 Hz.

Wyraźny wzrost składowej przy 25 Hz, czyli 1× częstotliwości obrotowej, często kieruje diagnostę w stronę niewyważenia wirnika. Nie jest to jednak automatyczny wyrok. Podobny obraz może zostać wzmocniony przez rezonans konstrukcji lub problem z posadowieniem, dlatego zawsze trzeba sprawdzić także kierunek pomiaru, fazę oraz warunki pracy.

Inne charakterystyczne obrazy również zawężają listę podejrzanych usterek:

• silne 1× RPM – często niewyważenie, mimośrodowość lub wpływ rezonansu,

• wyraźne 2× RPM oraz kolejne harmoniczne – możliwe niewspółosiowości albo luzy,

• seria harmonicznych częstotliwości obrotowej – często oznaka luzu mechanicznego,

• wzrost energii w wysokich częstotliwościach i charakterystyczne impulsy – typowy trop podczas diagnostyki łożysk tocznych,

• częstotliwość zazębienia i jej wstęgi boczne – istotny sygnał przy ocenie przekładni zębatych.

W przypadku łożysk sprawa jest bardziej złożona. Uszkodzenie bieżni zewnętrznej, bieżni wewnętrznej, elementu tocznego i koszyka generuje różne częstotliwości: BPFO, BPFI, BSF oraz FTF. Ich wartości zależą od geometrii konkretnego łożyska oraz prędkości obrotowej. Wpisywanie „uniwersalnego” progu dla wszystkich łożysk nie ma więc sensu. Diagnosta powinien znać oznaczenie łożyska albo przynajmniej jego geometrię i aktualną prędkość wału.

Równie ważne jest dobranie parametru do rodzaju usterki. Prędkość drgań w mm/s RMS dobrze pokazuje ogólną energię drgań wielu maszyn przemysłowych. Przyspieszenie, najczęściej podawane w m/s² lub g, jest znacznie bardziej użyteczne przy wysokich częstotliwościach i wczesnych uszkodzeniach łożysk. Przemieszczenie w µm ma szczególne znaczenie m.in. przy obserwacji ruchu wału i drgań o niskiej częstotliwości.

Norma ISO 20816-3 obejmuje ocenę wielu maszyn przemysłowych o mocy powyżej 15 kW i prędkościach od 120 do 30 000 obr./min. Nie oznacza to jednak, że jedna granica w mm/s może być stosowana bez zastanowienia do każdego silnika, pompy czy wentylatora. Kryterium zależy m.in. od rodzaju maszyny, sposobu podparcia i miejsca pomiaru.

W praktyce dużo bardziej niepokojący od pojedynczej wartości jest często trend. Jeśli maszyna przez pół roku pracowała stabilnie na podobnym poziomie, a podczas trzech kolejnych pomiarów amplituda charakterystycznej składowej systematycznie rośnie, mamy informację o rozwijającym się procesie. Czekanie na przekroczenie granicznego alarmu może być wtedy błędem.

Zanim maszyna stanie, drgania mogą ujawnić kilka różnych problemów

Diagnostyka wibracyjna jest szczególnie cenna tam, gdzie początkowy defekt nie powoduje jeszcze widocznych problemów produkcyjnych. Dotyczy to pomp, wentylatorów, sprężarek, silników, przekładni, wrzecion oraz całych zespołów napędowych.

Dobrym przykładem jest niewspółosiowość wałów. Sprzęgło może przez długi czas kompensować błąd ustawienia. Maszyna nadal pracuje, lecz dodatkowe siły działają na łożyska i uszczelnienia. Skutek często pojawia się dopiero później: wzrost temperatury, zużycie sprzęgła albo przedwczesna awaria łożyska. Analiza drgań pozwala zobaczyć problem wcześniej, zwłaszcza gdy zmiany występują równocześnie w kierunku promieniowym i osiowym.

Podobnie wygląda sytuacja z niewyważeniem. Osad na łopatkach wentylatora, zabrudzenie wirnika, utrata elementu wyważającego lub nierównomierne zużycie może powodować stopniowy wzrost amplitudy przy częstotliwości obrotowej. Nie należy wtedy automatycznie zamawiać wyważania. Najpierw trzeba ustalić przyczynę niewyważenia. Wyważenie zabrudzonego wirnika, który za tydzień zostanie oczyszczony, potrafi stworzyć nowy problem zamiast usunąć stary.

Drgania pozwalają również wcześnie wykrywać:

• luzy fundamentowe i konstrukcyjne, w tym poluzowane śruby mocujące,

• rozwijające się uszkodzenia łożysk tocznych,

• zużycie lub uszkodzenie zębów przekładni,

• niewłaściwe napięcie i problemy z napędami pasowymi,

• tarcie elementu wirującego o nieruchomy,

• rezonans konstrukcji,

• zjawiska hydrauliczne w pompach, w tym warunki sprzyjające kawitacji,

• problemy elektromagnetyczne silników, jeśli analiza obejmuje odpowiednie składowe częstotliwości.

Tu pojawia się jednak ograniczenie, o którym łatwo zapomnieć: jedno widmo nie zawsze wystarcza do pewnej diagnozy. Jeżeli amplituda 1× RPM jest wysoka, nie powinno się od razu wpisywać w zleceniu „wyważyć wirnik”. Najpierw trzeba sprawdzić mocowanie, współosiowość, stan sprzęgła, fazę drgań i możliwość występowania rezonansu.

Pomiary trzeba również wykonywać w porównywalnych warunkach. Wynik z pompy pracującej przy 40% wydajności nie powinien być bezrefleksyjnie zestawiany z pomiarem wykonanym przy pełnym obciążeniu. To samo dotyczy zmiennej prędkości obrotowej. Przy napędach z falownikiem samo porównanie wartości RMS potrafi wprowadzić w błąd, ponieważ razem ze zmianą prędkości zmieniają się częstotliwości wymuszeń.

W zakładzie bardziej użyteczny jest więc pomiar wykonywany zawsze w tych samych punktach, w możliwie podobnych warunkach obciążenia i zapisany wraz z prędkością obrotową. Najczęściej mierzy się drgania na obudowach łożysk w kierunku poziomym, pionowym oraz osiowym. Przy niektórych maszynach jeden kierunek wystarczy do kontroli trendu, lecz przy diagnozowaniu źródła problemu oszczędzanie na punktach pomiarowych szybko zaczyna przeszkadzać.

Największą wartość daje trend, a nie jednorazowy alarm

Jednorazowy pomiar odpowiada przede wszystkim na pytanie: „co dzieje się z maszyną teraz?”. Monitoring trendu odpowiada na znacznie ważniejsze pytanie: „czy stan maszyny się pogarsza i jak szybko?”.

To różnica, która bezpośrednio wpływa na decyzje remontowe.

Załóżmy, że miesięczne pomiary pokazują podobny ogólny poziom drgań, ale w widmie coraz mocniej rośnie częstotliwość związana z bieżnią zewnętrzną konkretnego łożyska. Maszyna nie musi jeszcze przekraczać ogólnego progu alarmowego. Dla utrzymania ruchu jest to jednak cenna informacja: podczas najbliższego postoju można przygotować właściwe łożysko, narzędzia i obsadę zamiast czekać, aż element uszkodzi się w trakcie produkcji.

Dobra procedura zaczyna się od utworzenia poziomu bazowego, czyli zestawu pomiarów wykonanych na sprawnej maszynie w znanych warunkach. Najlepiej zrobić to po odbiorze nowego urządzenia, prawidłowym remoncie albo po potwierdzeniu, że aktualny stan mechaniczny jest dobry. Kolejne wyniki porównuje się nie tylko z kryteriami normowymi, ale również z własną historią urządzenia.

To ważne, ponieważ dwie technicznie podobne maszyny mogą przez lata pracować stabilnie przy różnych poziomach drgań.

W praktyce kolejność oceny powinna wyglądać następująco:

1. Sprawdź warunki pracy – obroty, obciążenie, przepływ, ciśnienie i temperaturę.

2. Porównaj wynik z wcześniejszymi pomiarami wykonanymi w podobnych warunkach.

3. Oceń zmianę wartości szerokopasmowej, ale nie kończ analizy na RMS.

4. Sprawdź, które częstotliwości faktycznie wzrosły.

5. Dopiero później przypisz możliwe przyczyny i wykonaj pomiary potwierdzające.

To ostatni etap jest często pomijany. Tymczasem różnica między monitoringiem a diagnostyką jest zasadnicza. Monitoring mówi, że coś się zmienia. Diagnostyka ma wskazać najbardziej prawdopodobną przyczynę tej zmiany.

Automatyczne czujniki drgań ułatwiają kontrolę maszyn krytycznych, ale mają też irytującą cechę: źle ustawione progi potrafią produkować dużą liczbę alarmów bez realnej wartości technicznej. Jeśli po każdym rozruchu wentylatora system generuje czerwony komunikat, a obsługa wie, że jest to normalny stan przejściowy, po kilku tygodniach ludzie zaczynają ignorować również alarmy prawdziwe. Alarm bez kontekstu operacyjnego szybko traci wiarygodność.

Nie wszystkie maszyny wymagają więc ciągłego monitoringu online. Dla urządzeń pomocniczych, których zatrzymanie nie powoduje znacznych strat, okresowy pomiar trasowy może być wystarczający. Monitoring ciągły ma większe uzasadnienie przy urządzeniach krytycznych, trudno dostępnych, pracujących bez rezerwy albo takich, których awaria powoduje zatrzymanie procesu.

Nie należy też traktować analizy wibracji jako zamiennika wszystkich pozostałych metod. Problemy elektryczne, smarowanie, stan oleju, temperatura, ultradźwięki czy termografia mogą dostarczyć informacji, których sam akcelerometr nie pokaże wystarczająco wcześnie. Najlepszy efekt daje połączenie metod wtedy, gdy pierwszy sygnał rzeczywiście uzasadnia dodatkową diagnostykę – nie wykonywanie każdego możliwego badania przy każdej maszynie.

FAQ – najczęstsze pytania o diagnostykę drganiową

Czy wysoki poziom drgań oznacza, że maszynę trzeba natychmiast wyłączyć?
Nie. Decyzja zależy od wielkości i tempa zmiany drgań, typu urządzenia, charakteru widma, warunków pracy oraz kryteriów obowiązujących dla konkretnej maszyny. Gwałtowny skok drgań połączony z hałasem, wzrostem temperatury lub zmianą parametrów procesu wymaga znacznie szybszej reakcji niż stabilna wartość utrzymująca się od miesięcy.

Jak często mierzyć drgania maszyny?
Nie ma jednego poprawnego interwału. Maszyny krytyczne można monitorować ciągle. W przypadku okresowych tras pomiarowych częstotliwość trzeba dobrać tak, aby prawdopodobny czas rozwoju usterki był wyraźnie dłuższy od odstępu między kontrolami. Jeżeli łożysko potrafi przejść od pierwszych symptomów do stanu niebezpiecznego w kilka tygodni, pomiar raz na pół roku jest praktycznie bezwartościowy.

Czy smartfon może zastąpić miernik drgań?
Do profesjonalnej diagnostyki – nie. Telefon może pokazać, że konstrukcja drga i bywa użyteczny do bardzo prostych porównań, ale ograniczenia czujnika, pasma częstotliwości, mocowania i powtarzalności pomiaru utrudniają wiarygodną ocenę maszyn przemysłowych. Przy diagnozie łożysk albo analizie widma potrzebny jest odpowiednio dobrany czujnik i tor pomiarowy.

Co jest ważniejsze: norma czy wcześniejsze wyniki tej samej maszyny?
Oba punkty odniesienia mają inne zadanie. Kryteria normowe pomagają oceniać poziom drgań dla określonych grup urządzeń. Trend pokazuje natomiast zmianę konkretnej maszyny. W praktyce nagłe odejście od stabilnego trendu może wymagać analizy nawet wtedy, gdy wartość nadal mieści się w akceptowanym zakresie.

Czy diagnostyka drganiowa pozwala podać dokładną datę awarii?
Nie. Można obserwować tempo degradacji i na tej podstawie ograniczać ryzyko nieplanowanego zatrzymania, ale dokładny moment awarii zależy od obciążenia, charakteru defektu, smarowania, temperatury i wielu innych czynników. Prognoza powinna służyć do planowania decyzji serwisowej, a nie być traktowana jak licznik czasu do uszkodzenia.

Najrozsądniejszy pierwszy krok nie polega na kupowaniu rozbudowanego systemu monitoringu. Najpierw wybierz kilka maszyn, których awaria rzeczywiście zatrzymałaby produkcję, ustal stałe punkty pomiarowe i wykonaj pomiary bazowe przy zapisanych obrotach oraz obciążeniu. Jeśli pomiary są już prowadzone, pierwszym błędem do usunięcia jest porównywanie samych wartości RMS bez sprawdzania widma i warunków pracy. To właśnie trend konkretnych częstotliwości najczęściej pokazuje rozwijającą się usterkę wcześniej niż pojedynczy próg alarmowy.

Więcej informacji na: https://metcor.pl