LABORATORIUM

MONITOROWANIE I DIAGNOSTYKA W PRZEMYŚLE

Diagnostyka eksploatacyjna silników indukcyjnych

na podstawie analizy drgań

część II

1. Wstęp

Dyspozycyjność, bezpieczeństwo eksploatacji oraz trwałość i niezawodność maszyn i urządzeń wykorzystywanych w przemyśle ma olbrzymie znaczenie ekonomiczne dla zakładu przemysłowego. Znaczne straty produkcyjne mogą być skutkiem nieprzewidzianych awarii maszyn i urządzeń, ich postoju i bardzo kosztownych napraw. Konieczne, więc jest jak najwcześniejsze rozpoznanie aktualnego stanu technicznego urządzenia. Tym problemem zajmuje się diagnostyka techniczna rozumiana jako rozpoznawanie aktualnego stanu technicznego urządzenia na podstawie obserwacji symptomów uszkodzenia [3], [7].

              Aby postawić diagnozę należy monitorować wielkości fizyczne odpowiadające symptomom stanu maszyny oraz dysponować wiedzą określającą związek między symptomami a stanem technicznym. Monitorowanie i diagnostyka w zakładzie przemysłowym umożliwiają prowadzenie remontów uwarunkowanych stanem technicznym maszyny lub urządzenia i zaniechanie remontów zapobiegawczych warunkowanych czasem lub wręcz remontów poawaryjnych [7].

              Postęp w technice pomiarowej, komputerowej oraz w metodach diagnostyki eksploatacyjnej umożliwia znaczne usprawnienie obsługi technicznej maszyn kosztem stosunkowo niewielkich nakładów finansowych. Rozpowszechnienie metod diagnostyki
i instalowanie odpowiednich systemów nadzoru i diagnostyki daje podstawę do realizowania celowego i czasooszczędnego systemu remontów. Umożliwia ponadto ocenę czasu dalszej bezawaryjnej eksploatacji oraz dostarcza danych do zaplanowania zakresu remontów maszyn w zależności od ich stanu. Obecnie, dla racjonalnego prowadzenia ruchu całego zakładu przemysłowego, znajomość aktualnego stanu technicznego parku maszynowego jest jednym z podstawowych elementów zarządzania.

              Najwcześniejsze rozpoznanie zmian stanu technicznego maszyn dają systemy monitorujące poprzez pomiar drgań [1], [2]. Dobrze zaprojektowana maszyna charakteryzuje się niskim poziomem drgań. W trakcie eksploatacji ulega zużyciu, fundamenty osiadają, elementy maszyn ulegają deformacji i z czasem dochodzi do zmian właściwości dynamicznych maszyny. Pojawia się nie współosiowość wałów, zużycie części, niewyważenie elementów wirujących itp. [3], [7]. Sygnał drganiowy niesie wiele informacji związanych ze stanem technicznym maszyn jest podstawą do wykorzystania do ciągłego monitorowania i używania jako wskaźnika trendu stanu maszyny. Ponadto analiza widmowa tych sygnałów pozwala na identyfikację rodzaju uszkodzenia i obserwację rozwoju uszkodzenia w czasie eksploatacji.

2. Diagnostyka w przemyśle

2.1 Miejsce diagnostyki w przemyśle

Nowoczesny przemysł wymaga dokładnych i szybkich metod diagnozowania stanu technicznego urządzeń. Wprowadzenie nowoczesnych technik i technologii w budowie maszyn, wymusza na konstruktorach i użytkownikach zastosowanie aparatury diagnostycznej pozwalającej w pełni wykorzystać zalety wprowadzonych unowocześnień. Główny wysiłek konstruktorów idzie w kierunku wydłużenia żywotności maszyn oraz zapewnienia oszczędności zużywanej przez nie energii. Realizowane jest to zazwyczaj m.in. poprzez zastosowanie lepszych materiałów, dokładniejszą obróbkę oraz precyzyjne dobieranie współpracujących ze sobą urządzeń – elementów. Wszystkie te działania powinny prowadzić do wielokrotnego wydłużenia pracy maszyny. Ponadto wiele zależy od osób użytkujących daną maszynę. Chodzi tu o służby eksploatacyjne i remontowe. Podstawą ich działania jest prowadzenie prawidłowej eksploatacji i remontów, wspomaganych odpowiednim nadzorem (monitorowaniem) oraz diagnostyką. Praktyka potwierdza fakt, że precyzyjne osiowanie i wyważanie, jak i kontrola oraz analiza drgań, pozwalają w pełni wykorzystać walory zastosowanych rozwiązań. Nowoczesne urządzenia diagnostyczne i rozwój technologiczny, zrewolucjonizowały współczesną działalności służb remontowych i nadzoru technicznego. Ograniczenie kosztów, precyzja pomiarów i łatwość obsługi tych urządzeń powodują, że zajmują one coraz bardziej liczące miejsce we współczesnym przemyśle [4], [7]. Praktyczne zastosowanie tych urządzeń na szeroką skalę daje doskonałe wyniki, przynosząc wymierne korzyści finansowe, w postaci wydłużonych czasów międzyremontowych oraz skracania czasu samych remontów.

2.1 Organizacja diagnozowania w przemyśle

Przykład organizacji zespołu diagnostyki w zakładzie o ruchu ciągłym przedstawiono na rys.1.

Rys. 1. Przepływ informacji do/z zespołu diagnostyki w zakładzie o ruchu ciągłym.

Zespół diagnostyczny pozyskuje i przetwarza informacje o maszynach i na tej podstawie podejmuje odpowiednie decyzje. Informacja powinna być prowadzona
w postaci: baz danych (np. na nośnikach elektronicznych), kart diagnostycznych, w których powinny być zamieszczone następujące informacje:

·         symptomy, trendy, prognozy,

·         terminy i zakresy obsługi przez inne działy,

·         status ruchu maszyn (postój, ruch, niepełne obciążenie, itd.),

·         terminy i zakres przyszłego badania.

Zgodnie z Rys.1. decyzje o dopuszczeniu do ruchu odpowiedniej maszyny, konieczność wyłączenia maszyny oraz informację o możliwości obciążenia, przekazywane są do szefa produkcji. Zespół diagnostyczny przekazuje informacje o terminie i zakresie spodziewanego remontu do głównego mechanika lub inżyniera ruchu. W zamian otrzymuje od nich dane niezawodnościowe, w celu lepszego zorientowania swych prac. Informacje o kosztach napraw i postojów uzyskuje od działu finansowego. Nadmienić należy, że diagnostyka jest jedynie elementem w programie utrzymania ruchu maszyn, gdy relacje ekonomiczne wymuszają jej wprowadzenie [4].

2.3 Celowość wprowadzenia diagnostyki

Wprowadzenie diagnostyki uwarunkowane jest dwoma czynnikami [4]:

1        – pożądaną wysokością niezawodności lub gotowością G,

2        – możliwościami oszczędzania dzięki zmniejszeniu strat produkcyjnych, kosztów robocizny i materiałów ( efekt ekonomiczny diagnozowania ED).

Ad. 1. Nie są znane wartości wskaźnika gotowości G, powyżej których należy wprowadzić określoną formę diagnostyki. Dla celów praktyczno – poglądowych można przyjąć graniczną wartością jest G>0,9

gdzie:

                            (0.1)

Z powyższego wzoru wynika, że czas napraw nie można przekroczyć 10% czasu zdatności.

Ad. 2. Ekonomiczny efekt diagnozowania można zamiennie liczyć w trzech kategoriach (rocznie lub miesięcznie):

·         ED1=30¸40% kosztów naprawy,

·         ED2=0,5¸3% produkcji czystej (netto),

·         ED3»do 10% produkcji globalnej (brutto).

Jako przykład rozważań na temat celowości wprowadzenia diagnostyki można przyjąć następujący przypadek:

·         na minimalny stały koszt diagnostyki składa się pensja diagnosty + koszty amortyzacji urządzeń diagnostycznych (w przybliżeniu przyjmuje się równy pensji
diagnosty),

·         nie wlicza się kosztu jednorazowego zakupu oprzyrządowania.

Do obliczeń przyjmuje się więc jako koszt diagnostyki 2P, (gdzie P – płaca diagnosty). Tak więc w skali miesięcznej można oszacować celowość wprowadzenia diagnostyki, jeśli ED>2P to uwzględniając rachunek ekonomiczny, stosowanie diagnostyki ma rację bytu [4].

3.4 Formy diagnozowania obiektów

Zależą od sposobu użytkowania urządzeń – obiektów (ciągły, okresowy) oraz wymaganej dyspozycji i niezawodności. Ogólna klasyfikacja niezawodności urządzeń dzieli maszyny na krytyczne i ogólnego przeznaczenia. Do pierwszej grupy należą urządzenia, których praca jest niezbędna do prawidłowej pracy innych urządzeń, np. do odstawienia bloku energetycznego. Natomiast do drugiej grupy należą maszyny przeznaczone do „usprawnienia” procesu produkcji.

Diagnostyka może przyjmować następujące formy:

·         ciągłego monitorowania,

·         diagnozowania okresowego,

·         diagnozowania wejściowo – wyjściowego w chwili rozpoczęcia i/lub zakończenia użytkowania obiektu.

Organizacja diagnozowania dla maszyn ogólnego przeznaczenia zależy od sposobu użytkowania, poziomu wymaganej niezawodności oraz kosztów ekonomicznych. Diagnozowanie urządzeń polega na ocenie stanu podczas włączania, wyłączania i pracy maszyny. Przeprowadzone prace diagnostyczne będą miały na celu ocenę jakości przeprowadzonych remontów, eksploatacji jak i otrzymania niezbędnych wiadomości na temat zakresu następnego remontu. Zespól diagnostyczny powinien zbierać dane o symptomach maszyny w ruchu, w celu opracowania trendów i prognoz, a także określenia terminu i zakresu remontu.

Do diagnozowania maszyn krytycznych stosuje się rozbudowane formy i systemy pokładowe (zainstalowane w/na maszynie), z bieżącym śledzeniem najważniejszych symptomów oraz system okresowy uzupełniony diagnozowaniem podczas włączenia i wyłączenia.

1

3. Kryteria oceny drgań

3.1 Wielkości charakteryzujące drgania

Wibracje można scharakteryzować za pomocą następujących wielkości:

·         Przemieszczenie, przemieszczenie względne – jest to wielkość wektorowa określająca zmianę pozycji obiektu lub punktu materialnego względem układu odniesienia. System odniesienia jest zwykle układem współrzędnych o początku odpowiadającym położeniu spoczynku lub równowagi. Przemieszczenie względne układu odniesienia innego niż podstawowy określane jest jako względne. Przemieszczenie względne między dwoma punktami jest różnicą wektorów ich przemieszczeń [7].

                                                        (1)

gdzie:

              X – amplituda,

              w - pulsacja,

              t – czas.

·         Prędkość, prędkość względna – jest to wektor reprezentujący pochodną przemieszczenia względem czasu. Prędkość mierzona względem układu odniesienia, innego niż uznany za podstawowy, określana jest jako względna. Prędkość względna punktu względem drugiego jest określona różnicą wektorową ich prędkości [7].

                            (2)

·         Przyspieszenie – jest to wektor pochodnej prędkości względem czasu [7].

                                                        (3)

Na Rys.2 zostały przedstawione zależności pomiędzy poszczególnymi wielkościami.

a)

b)

Rys.2. Zależności pomiędzy wielkościami: przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie:

a)    Amplituda w [dB] w funkcji częstotliwości,

b)   Amplituda a funkcji czasu.

Wielkości pomiarowe

Wybór odpowiedniej wielkości pomiarowej jest szczególnie ważny przy prowadzeniu pomiarów w szerokim paśmie częstotliwości, (jeśli sygnał wibracyjny posiada składowe o różnych częstotliwościach). Pomiar przemieszczenia uwypukla składowe o niskich częstotliwościach, podczas gdy przy pomiarze przyspieszenia uwypuklone zostają składowe o wysokich częstotliwościach. Natomiast najlepszą wielkością charakteryzujące drgania w zakresie od 10 od 1000Hz, jest wartość skuteczna szybkości drgań. Przy analizie wąskiego pasma częstotliwości wybór wielkości pomiarowej ma wpływ jedynie na jej nachylenie na wykresie analitycznym. Każda wielkość pomiarowa (przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie) daje prawdziwy obraz widma wibracji, przy czym istnieją proste zależności matematyczne pomiędzy nimi, określone wzorami: 1-3

Wybór skal amplitudy i częstotliwości

Powszechnie stosowane w praktyce są liniowe i logarytmiczne skale amplitud. Skala logarytmiczna – decybelowa, jest wielkością bezwymiarową, wyraża stosunek danego poziomu do poziomu odniesienia:

                                                          (4)

gdzie:

              N – ilość decybeli,

              a – poziom mierzony,

              aref – poziom odniesienia.

Oznacza to, że do znalezienia absolutnego poziomu wibracji konieczna jest znajomość poziomu odniesienia. Skala ta powoduje rozszerzenie zakresu niskich i zagęszczenie zakresu wysokich częstotliwości. W ten sposób otrzymuje się procentowo tę sa...