analýza závad

VB2-5 Analýza závad / Snímek 1

Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci

Analýza závad



Analýza závad

Analýza spekter Nevyváženost Nesouosost Mechanické uvolnění Závady ložisek Závady elektromotorů Analýza převodovek Rezonance a kritické otáčky



1. Analýza frekvenčních spekter



Spektrum jako nástroj vibrační diagnostiky

Pracuje-li stroj periodicky, projevují se periodicky i jednotlivá poškození nebo změny technického stavu.

Při znalosti frekvence buzení jednotlivých součástí stroje lze identifikovat jejich poškození

Znalost budicích frekvencí a změn amplitud na těchto frekvencích je základním nástrojem vibrační diagnostiky



Ve frekvenčním spektru hledáme

Základní budicí frekvence Odpovídají chybovým frekvencím stanoveným výpočtem z

konstrukčních parametrů Jsou funkcí rotorových frekvencí hřídelí, které se otáčí konstantní

frekvencí Pohybují se v nízkofrekvenční oblastí spektra Jsou zásadní pro identifikace zdroje poškození




Harmonické frekvence Jsou celočíselným násobkem základní frekvence Jsou důsledkem odchylek časového průběhu od tvaru funkce sin(t) Obdélníkový časový průběh = velké množství harmonických frekvencí Jejich velikost ve vztahu k základní frekvenci jsou zásadním

příznakem poškození




Subharmonické frekvence Jsou celočíselným podílem základní frekvence Jsou důsledkem odchylek časového průběhu od tvaru funkce sin(t) Jejich velikost ve vztahu k základní frekvenci jsou zásadním

příznakem poškození




Interharmonické frekvence Jsou neceločíselným násobkem nebo podílem základní frekvence Mohou být způsobeny signálem z neznámého zdroje Vyskytují se především v pokročilém stádiu poškození




Frekvence na postranních pásmech Rozprostírají se kolem základní nebo harmonické složky Jsou od ní vzdáleny o konstantní vzdálenost na obě strany (směrem k

vyšším i nižším frekvencím) Jejich amplituda se vzdáleností klesá Jejich množství a velikost jsou příznakem stádia poškození Přítomnost postranních pásem vyplývá z amplitudové modulace

signálu (periodické změny amplitudy v čase)

– Změna amplitudy bude souviset nejčastěji as rotorovou frekvencí



Postranní pásma

f0

f




Spojitá pásma Jsou důsledkem nestacionárních (obecněji náhodných) signálů Mohou být způsobeny frekvenční modulací Nejčastěji jsou důsledkem

– proudění tekutin

– Tření

– Víření oleje



Frekvenční spektra analyzujeme

Ve 3 navzájem kolmých osách Prioritní je systém: vodorovně – svisle – axiálně Každá osa nese důležitou informaci (nevažme se jen na radiální

směry) Frekvenční rozsah by měl být přizpůsoben možnému výskytu

harmonických složek (alespoň po 3 harmonickou) Frekvenční rozlišení by mělo být schopno identifikovat postranní

pásma Pozor na změny při logaritmickém zobrazení



Další možnosti spektrální analýzy

Souběhová filtrace Určena pro stanovení kritických a optimálních oblastí Sleduje celkové vibrace v závislosti na periodickém signálu

emitovaném strojem (nejčastěji na rotorové frekvenci) Výsledkem je graf (otáčky – amlituda) Vztahuje výsledné vibrace ke konkrétnímu zdroji – zdroji báze

souběhu




Řádová analýza Určena pro stanovení kritických a optimálních oblastí Základní otázka: Jaký je vývoj vibrací při změnách otáček na

jednotlivých harmonických složkách? Zobrazuje vibrace v závislosti na frekvenci a řádu (násobku) základní

frekvence V doběhové (rozběhové) charakteristice je výřezem jednotlivých

paprsků




Řádová analýza



2. Nevyváženost



Nevývaha statická

Statická nevývaha• V praxi se téměř nevyskytuje• Vektor nevývahy je stabilní - amplituda a fáze • Převládá chvění v radiálním směru• Na ložiscích je shodná fáze 1H frekvence (+-20°)• Amplituda roste kvadraticky s otáčkami (2x vyšší otáčky => 4x větší amplituda 1H) • Rotory se vyvažují pouze v jedné rovině• Fázový posun mezi horizont. a vert. směrem na tomtéž ložisku je 90° (+-20°)

Typické spektrum statické nevývahy

Typické spektrum statické nevývahy

Poznámka: 1/ Silná nevyváženostzpůsobuje výskytvyšších harmonických2/ Platí pro podkritickéotáčky

Poznámka: 1/ Silná nevyváženostzpůsobuje výskytvyšších harmonických2/ Platí pro podkritickéotáčky

1.v.r.

1H - R

2H - R



Nevývaha dynamická

Dynamická nevývaha• Nevývažky v obou vyvažovacích rovinách jsou rozdílné• Nejčastější typ nevyváženosti• Převládá chvění v radiálním směru• Amplituda roste kvadraticky s otáčkami (2x vyšší otáčky => 4x větší amplituda 1H) • Rotory se musí vyvažovat ve dvou rovinách• Vektor nevývahy je stabilní - amplituda a fáze. Na ložiscích je konstantní fáze 1x frekvence (+-20°) • Převládá chvění v radiálním směru

1.v.r.

2.v.r.

1H - R

2H - R

Párová nevývaha •Nevývažky v obou vyvažovacích rovinách jsou shodné

Typické spektrum dynam. nevývahy

Typické spektrum dynam. nevývahy



Nevývaha převislého rotoru

Nevývaha převislého rotoru• Typický případ ventilátorů• Radiální i axiální vibrace• Vektor nevývahy je stabilní - amplituda a fáze• Fáze v axiálním směru obvykle shodná (+-20°), v radiálním směru často neustálená • Obvykle postačuje vyvážení v jedné rovině

1.v.r.

1H - A+R

2H - A+ R

Typické spektrum nevývahy převisléhorotoru

Typické spektrum nevývahy převisléhorotoru



3. Nesouosost



Nesouosost rovnoběžná

Rovnoběžná nesouosost1H 2H 3H

mm/s

10

3.1

1

0.31

• Výrazné radiální vibrace• Fázovým posun v radiálním směru na spojce 180° (+-20°) - nejlepší indikátor nesouososti• Obvykle převládá druhá harmonická otáčkové frekvence (záleží na typu a materiálu spojky) • Může dojít k vybuzení i vyšších harmonických složek• Na volném konci může být i větší odezva na nesouosost než na ložisku u spojky • Vibrace mohou být směrové - větší v horiz. nebo vert. směru

Radiálně



Nesouosost úhlová

Úhlová nesouosost

• Výrazné axiální vibrace• Fázovým posun v axiálním směru na spojce 180° (+-20°) - nejlepší indikátor nesouososti• Výrazné složky 1H, 2H případně 3H otáčkové frekvence (2H překročí 50% 1H) • Může dojít k vybuzení i vyšších harmonických složek• Občas větší amplituda vibrací na volném konci

Poznámka:1/ Nesouosost se často projevuje pouze na 1H .

Poznámka:1/ Nesouosost se často projevuje pouze na 1H .

10

3.1

1

0.31

1H 2H 3H

Axial

mm/s



4. Mechanické uvolnění



Mechanické uvolnění

Uvolněný základ: • Zahrnuje: strukturální vůle základů, podstavců apod. deformace základu nebo rámu uvolnění kotvících šroubů apod.• Výrazná 1H, případně i 2H otáčkové frekvence • Menší subharmonické 0.5H, 1.5H...• Vyšší vibrace jsou obvykle spojeny s jedním rotorem a na rozdíl od nevývahy nebo nesouososti se nepřenáší tolik na ostatní rotory • V případě uvolněného základu je fáze mezi těmito objekty 180°• U prasklého rámu apod. může být amplituda a fáze chaotická

mm/s

.5H 1.5H 1H 2H 3H

10

3.1

1

0.31

Radiálně

Poznámka:Mechanické uvolnění je vždy pouze důsledek jiné příčiny

Poznámka:Mechanické uvolnění je vždy pouze důsledek jiné příčiny



Mechanické uvolnění

Mechanické uvolnění:• Dochází k výrazným nelinearitám ve struktuře, jež generuje rázy• Případy: vůle ložiska v domku vydření hřídele v místě vnitřního kroužku valivého lož. velké vůle v ložiscích• Často řada harmonických složek - 20H i více• Subharmonické 1/2, 1/3, ... 1/n• Neustálená fáze• Často silně směrové vibrace

mm/s

.5X 1X 1.5X 2X 3X

10

3.1

1

0.31

Radiálně



5. Závady ložisek



Valivá ložiska

1kHz

25kHz

3H

BPFI

BPFO

1H

2H

3H

300kHz

Postup rozvoje závady valivého ložiska:• První fáze: dochází k emitování akustické emise na 200-400kHz, potíže se zastíněním a odfiltrováním nežádoucích složek - obtížně určitelné• Druhá fáze: generují se vlastní frekvence poškozených komponent ložiska, záleží na použité metodě, nejlepší je obálková analýza, protože provádí frekvenční analýzu demodulovaného signálu• Třetí fáze: výskyt ložiskových frekvencí ve spektru, obvykle již velmi pozdě na - ložisko před havárií

fn



Valivá ložiska

• Závadu valivého ložiska nejlépe detekujeme pomocí CPB spektra nebo obálkové analýzy.

• Obálková spektra můžeme použít jak k detekci tak i k diagnostice valivého ložiska.

• Pokud není valivé ložisko vadné => „rovné“ obálkové spektrum.



Valivá ložiska Výrazné složky na chybových frekvencích ložiska Vyšší harmonické na rotorové frekvenci

n – počet valivých těles

D1

D2

BD

2DD

PD 21



Valivá ložiska – chybové frekvence

Vnější kroužek

Vnitřní kroužek

Valivé těleso

Klec

cos

PDBD

1f2n

f RBPFO

cos

PDBD

1f2n

f RBPFI

2

RBSF cosPDBD

1fBDPD

f

cos

PDBD

12f

f RTF



Projevy závad valivých ložisek v obálkových spektrech

3. Závada valivého tělíska:• vyžaduje okamžitou akci,• frekvence otáčení valivého tělíska,(BSF) s vyššími harmonickými,• často v kombinaci s interharmonickými.

1. Závada na vnějším kroužku: • frekvence průchodu valivých tělísek přes závadu vnějšího kroužku (BPFO) s vyššími harmonickými.

2. Závada vnitřního kroužku:• frekvence průchodu valivých tělísekpřes závadu vnitřního kroužku(BPFI) s postranními pásmi RPM.

BPFO

RPM

BPFI

BSF



Závady montáže ložisek detekovaných spektry obálek

RPM

2*RPM

2*BPFO

Závada mazaní.

Rotorová nesouosostRotorová nevyváženost.

Radiální předpětíložiska.

Nesouosost vnějšíhokrouźku.

Prokluzování kroužku v ložiskovém domku.

2*RPM

1*RPM

2*BPFO

HarmonickéRPM

Zvýšení úrovněpozadí

RPM



Vliv vibrací na životnost

ložiska

Odhad vlivu změny dynamického zatížení (naměřených vibrací) na životnost ložiska

Uvažujeme jednořadé kuličkové ložisko bez axiální síly zatížené převládající nevyvážeností.

Při změně vibrací na dvojnásobek (z 2 m/s2 na 4 m/s2) klesne životnost ložiska

8xPři změně vibrací na pětinásobek (z 2 m/s2 na 10 m/s2)

klesne životnost ložiska

125x



Doporučení pro měření vibrací

Z naznačeného vyplývá, že měření vibrací ve zrychlení je přímo úměrné dynamické síle a nepřímo úměrné s třetí mocninou

životnosti ložiska.V případě výpočtu životnosti jiných komponent než valivých ložisek, je třeba uvažovat jinou úměru

pro vztah k vibracím.

Měření vibrací v rychlosti vypovídá o energii emitované dynamickými silami, avšak nevypovídá příliš o životnosti

zařízení.

Pro sledování stavu (životnosti) valivého ložiska doporučujeme měření vibrací ve zrychlení.



Doporučení pro měření vibrací

Při použití CPBCPB (oktávových) měření v logaritmické frekvenční stupnici, můžeme navíc snadno srovnávat vliv jednotlivých

frekvenčních složek spektra na životnost zařízení.

Toto je dáno vlastností logaritmické stupnice CPB, kde každá frekvenční čára reprezentuje srovnatelný vliv na namáhání součásti (relativní procentuální šířka pásma).

Konečným doporučením tak může být :

CPB6% - zrychlení, v max. frekv. rozsahu



Kluzná ložiska

10

3.1

1

0.31

wo = 0

wo ~ (0.3 - 0.5) * ws

0.43X 1X 2X

10

3.1

1

0.31

Nestabilita olejového filmu:• normálně 42 %- 47 % rychlosti otáčení• v některých případech 0.2 -0.7X• nesynchronní• když ampl. vib. dosáhne 50% vůle

Opotřebení:• vyšší harmonické RPM (10x až 20x)• výrazně zesiluje vliv nevyváženosti a nesouososti

mm/

1X 2X 3X 4X 5X 6X 7X 8X 9X 10X...

wo = ws



6. Závady elektromotorů



Problémy elektrických strojů

Excentricita statoruVolné železo (vůle ve stat.)Zkratované statorové plechy:• druhá harmonická síťové frekvence • silnì směrové vibrace

PPF = skluzová frekvence * počet pólůskluzová frekvence = synchronní otáčky - RPM

PPF = skluzová frekvence * počet pólůskluzová frekvence = synchronní otáčky - RPM

mm/s

1X Line 2x 2*Line freq.

10

3.1

1

0.31

10

3.1

1

0.31

1X Line 2X 2*Line freq.

Excentrický rotor: • 2x síťová frekvence s modulacemi frekvence průchodů pólů (PPF)



Prasklé rotorové tyče elektromotoru

Statorové tyče

Statorové tyče

Rotorovétyče

Rotorovétyče

PPF = skluzová frekvence * počet pólůskluzová frekvence = synchron. otáčky - RPMRBPF = počet rotorových tyčí * RPM

PPF = skluzová frekvence * počet pólůskluzová frekvence = synchron. otáčky - RPMRBPF = počet rotorových tyčí * RPM

Prasklé rotorové tyče,uvolněné rotorové tyče,zkratované rotorové plechy,špatné spoje mezi rotorovými plechy:• postranní pásma okolo frekvence průchodu rotorových tyčí (RBPF) s frekvencí skluzovou,< - 35 dB = vážné> - 45 dB = OK.

(1X- n*Slip Freq) 1X (1X+n*Slip Freq)

Zoomspektrum

Zoomspektrum

35 dB 45 dB

Uvolněné rotorové tyče mohou také způsobit postranní pásma s frekvencí síťovou okolo frekvence 1x a 2x RBPF.

Uvolněné rotorové tyče mohou také způsobit postranní pásma s frekvencí síťovou okolo frekvence 1x a 2x RBPF.

1X 2X RBPF

Odstup postranních pásem



Synchronní motory, DC motory

DC motorySilicon Controlled Rectifiers (SCR) zvýšení SCR frekvence může způsobit:• vadný SCR• uvolněné spoje• zlomené budící vinutí

Synchronní motory -uvolněné statorové cívky• modulace s frekvencí RPM okolo frekvence průchodů cívek

1X 2X SCR = 6*síová frekv. 2*SCR

1X 2X frekvence prùchodù cívek

odstup1x RPM



7. Analýza převodovek



Převodovky

Cepstrální analýza a průměrování v časové oblasti výrazně zjednodušují práci při odhalování závad ozubených převodů.

Spektrum převodovky

• Závady produkují postranní pásma okolo zubových frekvencí (GMF) a jejich harmonických.

Spektrum převodovky

• Závady produkují postranní pásma okolo zubových frekvencí (GMF) a jejich harmonických.

Cepstrum převodovky

• Energie každého postranníhopásma (závady) je vyjádřena jednou čarou v cepstru.

Cepstrum převodovky

• Energie každého postranníhopásma (závady) je vyjádřena jednou čarou v cepstru.

GMF

2*GMF



PřevodovkyTypické problémy na převodovkách

•Normální stav - obvykle i za normálního stavu jsou ve spektru přítomné nižší harm. GMF a jejich postranní pásma

• Tření v ozubení - generuje vlastní frekvenci ozubeného kola a zesiluje některé nižší harmonické zubové frekvence včetně jejich postranních pásek

• Přetížení zubů - výraznì zesiluje první harmonickou zubové frekvence a její postranní pásma

•Excentricita ozubeného kola - zesiluje postranní pásma okolo GMF a částečný vznik vlastních frekv. ozubených kol

• Nesouosost ozubených kol - obvykle zesiluje druhou harm. GMF a její postranní pásma

GMF

2*GMF

3*GMF

1x

GMF

2*GMF

3*GMF

1x

GEAR fn

GMF

2*GMF

3*GMF

1x

GMF

2*GMF

3*GMF

1x

GEAR fn



8. Rezonance a kritické otáčky



Vlastní frekvence a rezonance

Rezonanční frekvence je rovna:

Experimentální identifikace rezonance plyne z její definice (vlastní frekvence = budicí frekvence)

Princip identifikace : Buzení soustavy širokopásmovým signálem Na vlastní frekvenci dojde k jeho zesílení



Vlastní frekvence a rezonance

Druhy buzení soustavy

1. Bílý šum

– Signál s konstantní amplitudou v širokém pásmu frekvencí

– Vytvořen uměle

– Nejčastěji nahrávka

2. Rázový impuls



Bílý šum

Čas

Frekvence



Buzení impulsem

Čas Frekvence



Kritické otáčky - určení

Lze určit výpočtem a měřením

– Měříme vlastní frekvence

– Vypočítáme budicí frekvence

Nejlepší metodou identifikace je rozběhová a doběhová charakteristika

– Určí celé kritické pásmo

– Odhadne linearitu

– Ryze experimentální metoda

analýza závad

Documents