Aplikace vibrodiagnostiky na klíčových zařízeních čerpadel a posouzení vhodnosti metody pro reengineering údržby ofsetového tiskového stroje

Obrázek 1: Možnosti umístění snímačů na motoru [2] Obrázek 1: Možnosti umístění snímačů na motoru [2]

Tento text se zabývá vibrodiagnostickými zkouškami použitými při testování elektromotorů a čerpadel a následným posouzením vhodnosti použití této metody pro testování čerpadla ofsetového tiskového stroje v rámci reengineeringu jeho údržby. Testování bylo provedeno celkem na 8 elektromotorech a čerpadlech a každý test byl vykonán nejméně dvakrát v rozmezí alespoň tří měsíců. Na základě výsledků byly doporučeny vhodné zásahy. Metoda byla označena jako vhodná také pro reengineering údržby ofsetového tiskového stroje.

Ofsetové tiskové stroje

Ofsetové tiskové stroje slouží k nepřímé tiskové metodě – z tiskové formy se tiskne na pryží potažený válec a z něj na papír. Barva se tudíž přenáší dvakrát. Oproti knihtisku umožňují tyto stroje tisk jemných detailů i na méně kvalitní papír či karton. To je umožněno pryžovým válcem, který dokáže přilnout i na ne zcela hladký povrch.

Tyto stroje jsou často využívány v tiskárnách zabývajících se potiskem cenin, knih a časopisů, kalendářů, ale také kartonů a krabic.

Princip tisku je založen na rozdílných fyzikálně-chemických vlastnostech tiskové formy (TF) obepínající formový válec. TF je v podstatě hliníková deska, na níž jsou naneseny dvě vrstvy s rozdílnými vlastnostmi. Barva je hydrofobní kapalina, která se nemísí ani s vodou, ani alkoholy. Vrchní vrstva je hydrofobní a je nenarušená, tzn. že odpuzuje vodu, ale mastnou barvu přijímá. Při nanášení tiskového vzoru se naruší hydrofobní povrch v místech, kde se nebude tisknout. Tím vzniká spodní vrstva, která je narušena a stává se hydrofobní. Přijímá roztok, jenž zabraňuje mastné barvě nalepit se na tuto plochu. V místech, kde se tisknout má, je povrch nenarušen.

Narušení povrchu se provádí vysvěcováním z filmů nebo laserovým vypalováním. Tisková forma projede vývojkou, která z budoucích netisknoucích míst vyplaví narušenou tisknoucí hydrofobní vrstvu.

Následně se tisková forma napne do stroje pomocí pneumatických čelistí na formový válec. Jak se tento válec otáčí, rolují po něm čtyři barevníkové válce s jednotlivými barevnými složkami tisku a jeden vlhčicí válec s roztokem. Válec s formou se zároveň dotýká také s pryžovým přenášecím válcem, na němž s každým otočením ulpívá barva, která se nanese na papír či jiný tištěný povrch. [1]

Vodní čerpadla

Ofsetové tiskové stroje využívají pro dopravu vlhčicího roztoku na tiskovou formu vodní odstředivé čerpadlo, jež se skládá z elektromotoru a samotného čerpadla.

Čerpadlo čerpá vlhčicí roztok, což je směs vody a alkoholu, ze zařízení Technotrans. Roztok je čerpán do nádrží věží, kde se navlhčí TF a dochází k chemické reakci, při které se naruší druhá vrstva popsaná v kapitole 1. K tomuto vlhčení dochází v každé věži – každá věž tiskne jednu barvu.

V tiskovém stroji, jehož reengineering údržby se chystá, je použito odstředivé čerpadlo. Toto čerpadlo se skládá z oběžného kola s lopatkami, které se otáčí ve spirálové komoře, a elektromotoru. Vstup kapaliny je u osy rotoru, výstup na jeho obvodu.

Důvodem, proč se reengineering údržby vztahuje i k čerpadlům, je jejich častá poruchovost. Mezi nejčastější závady patří např. prasklá spirálová komora, což má za důsledek pěnění kapaliny. Z důvodu rozpěněné kapaliny dochází k ovlivnění hodnot pH roztoku vody a alkoholu. Následné měřáky pH a alkoholu vykazují hodnoty nevhodné pro práci stroje. Další častou závadou jsou nevyvážené hřídele motoru a také vady na ložiscích.

Vibrodiagnostika

Vibrodiagnostika je jednou z metod technické diagnostiky. Používá se u rotačních strojních zařízení, jako jsou elektromotory, čerpadla, turbíny, kompresory, ventilátory a podobně. O technickém provozním stavu kontrolovaného zařízení nám poskytují informace vibrace, jež mohou být vyvolány poškozením ložisek, nesouosostí hřídelí, nevývahou rotujících částí, poškozením ozubených kol, zadíráním rotoru, špatným mazáním ložisek atd.

Cílem vibrodiagnostiky je zjistit technický stav strojního zařízení, případně lokalizovat místo budicích vibrací. Tato metoda nám pomáhá naplánovat odstávku strojního zařízení pro údržbu a také včas objednat potřebné díly. Můžeme tak snížit nutné preventivní kontroly a zároveň předejít nečekaným haváriím. [2] [3]

Základní veličiny a vyhodnocování

Základní veličiny pro vyhodnocení vibrací vycházejí ze základních parametrů mechanického kmitání, jež je periodické a má sinusový charakter. Jedná se o okamžitou výchylku, rychlost a zrychlení. Důležitý je také časový signál, z něhož se zaměřujeme na peak, peak-peak, průměrnou a efektivní hodnotu.

Pro vyhodnocování se často používá rychlé Fourierovy transformace, která hledá ve vibračním signálu opakující se děje, jež se zobrazí ve frekvenčním spektru pod určitou frekvencí. Frekvenční spektrum časového signálu je tvořeno množstvím sinusových signálů s amplitudou a počáteční fází. Toto je pro odhalování technického stavu strojního zařízení důležité. Určit však jednotlivé složky původního časového signálu je obtížné. Z tohoto důvodu je výhodnější použití frekvenčního spektra.

Nejdominantnějším signálem, který je možno pozorovat na otáčkové frekvenci, bývá harmonický signál – projev nevyváženosti. Nevyváženost je způsobena hmotností nevývažku a projevuje se tak vlivem odstředivé síly 1krát za otáčku.

Druhý signál projevující se ve frekvenčním spektru bývá způsoben nesouosostí nebo vadami na ložiscích. Tady dochází k většímu počtu vibračních impulzů, které jsou způsobeny přechodem valivých elementů přes vady ložiska. Existují vzorce pro výpočet poruchových frekvencí ložiska, díky nimž umíme určit, zda se jedná o vnitřní nebo vnější kroužek, klec či valivé tělísko. Tyto frekvence bývají často uvedeny v katalogu ložiska.

Třetím signálem je pak zubová frekvence, kde se projevuje poškození na ozubení převodu. Tuto frekvenci zjistíme, když mezi sebou vynásobíme otáčkovou frekvenci hřídele s počtem zubů ozubeného kola na stejné hřídeli.

Z naměřených hodnot se následně vytváří trend. Porovnáním všech naměřených hodnot nebo jejich porovnání s normální hodnotou vyňatou z příslušné normy dostáváme informace o technickém stavu strojního zařízení a můžeme začít uvažovat, co způsobilo vyšší naměřené hodnoty vibrací. Pro získání věrohodných výsledků je potřeba měření pravidelně opakovat a porovnávat s předchozím trendem. Je však potřeba zajistit, aby měření probíhalo vždy za stejných podmínek: měřit při stejných otáčkách, při stejném zatížení, snímač vibrací musí být umístěn na stejném místě.

Mezi nejčastější sledované hodnoty patří vibrace, zrychlení a teplota. Vývoj naměřených hodnot pak můžeme sledovat díky vytvořené vanové křivce.

Pokud se vývoj zhoršuje, lze konstatovat, že se zařízení dostává do poslední etapy životnosti, a pokud se včas nezasáhne, může dospět v poruchu. [2] [3]

Norma ČSN ISO 10 816-7 uvádí doporučené hodnoty vibrací v pásmu 10–1000 Hz. Meze pásem vibrací na nerotujících částech čerpadel o výkonu nad 1 kW. Jsou použitelná pro oběžná kola s počtem lopatek zl ≥ 3. Měřenou vyhodnocovanou veličinou je efektivní hodnota rychlosti vibrací vRMS (mm/s). Hodnoty jsou uvedeny níže v tabulce č. 1.

Doporučené hodnoty pro zrychlení vibrací v pásmu 500–2500 Hz jsou uvedeny v tabulce č. 2. [4] [5] [6]

Tabulka 1: Doporučené hodnoty vibrací v pásmu 10–1000 Hz

10–1000 Hz

vRMS

Rozhraní pásem

Efektivní hodnota vibrací (mm/s)

A/B

2,5

B/C

4

C/D

6,6

Tabulka 2: Doporučené hodnoty pro zrychlení vibrací v pásmu 500–2500 Hz

500–25600 Hz

aRMS

Rozhraní pásem

Efektivní hodnota zrychlení vibrací (g)

A/B

0,5

B/C

2

C/D

4

Volba vhodných měřicích míst

Výsledky měření musejí co nejlépe zobrazovat skutečnou amplitudu vibrací. Snímače vibrací umisťujeme na očištěná místa co nejblíže k ložiskům a v zásadě ve třech směrech: horizontálním, vertikálním a axiálním směru. Největší vibrace bývají v horizontálním směru (motor je v tomto směru nejpoddajnější), v axiálním směru bývají vibrace nejmenší (jsou projevem nesouososti nebo ohnuté hřídele).

Měření se nikdy neprovádí na krytech, ale přímo na konstrukci, která je v přímém kontaktu s ložiskem, abychom předešli zkreslení signálu. Důležitá je také bezpečnost, a tak se nikdy snímače neumisťují na místa, kde bychom mohli přijít do styku s rotující částí stroje. Abychom předešli poškození snímače velkou přítlačnou silou, nejprve se přikládá pod úhlem a až následně celou plochou, snímač vibrací je totiž magnetický.

Pokud měření provádíme na nemagnetických materiálech, je potřeba vložení vhodné měřicí podložky, která se na konstrukci lepí speciálním lepidlem.

Na obrázku č. 1 je znázorněn motor se šipkami, které nám ukazují vhodná místa pro dosažení přesných výsledků.

Vlastní měření čerpadel a výsledky

Pro měření byl použit vibrační analyzátor A440 – VA4 od firmy ADASH.

Ve firmě GWK (tepelná a chladicí technika) bylo provedeno měření u elektromotoru s čerpadlem s parametry uvedenými v příslušné tabulce. Měření proběhlo celkem na osmi elektromotorech s čerpadly. Měření se uskutečnilo na motorech označených čísly 35, 37, 39, 21, 23, 25, 29 a 31.

Měření každého elektromotoru s čerpadlem proběhlo vždy nejméně dvakrát s odstupem alespoň 3 měsíců a všechny elektromotory s čerpadly při měření pracovaly se zátěží.

Pokud první měření neodhalilo žádné zhoršené či nepřijatelné hodnoty, bylo rozhodnuto o sledování stavu a zopakování měření. Účelem tohoto druhého měření bylo ověřit, zda elektromotor s čerpadlem stále setrvává ve vyhovujícím stavu nebo zda došlo k nějakému zhoršení.

Z důvodu zkrácení článku zde nebudeme uvádět tabulky s elektromotory, jež měly obě měření z hlediska hodnot v pořádku, a proto byly označeny jako vyhovující. Jedná se o elektromotory s čerpadly s čísly 35, 39, 21, 25, 29 a 31.

Měření elektromotoru s čerpadlem č. 37

Tabulka 3: Elektromotor s čerpadlem č. 37

Elektromotor

Název

KSB Aktiengesellschaft

Výkon

15 kW

Otáčky

2940

Hmotnost

84 kg

Čerpadlo

Chybějící parametry – Nečitelný štítek čerpadla

Měření bylo provedeno nejdříve na elektromotoru v místě L1 a L2, následně bylo měřeno čerpadlo v místě L3. Ve všech třech měřicích místech byl použit tříosý snímač vibrací. Rozmístění snímačů je vidět na obrázku č. 2.

02 02Obrázek 2: Měřicí místa na elektromotoru a čerpadle č. 37, L1 (vlevo), L2 (uprostřed), L3 (vpravo) [7]

Měření elektromotoru č. 37 proběhlo také celkem dvakrát. V tabulce č. 3 nejsou uvedeny parametry čerpadla, jelikož štítek nebyl čitelný.

Výsledky z měření jsou zapsány v tabulce č. 4. Hodnoty v tabulkách z měřicích míst L1, L2 i L3 jsou barevně rozlišeny podle hodnot, které uvádí norma ČSN ISO 10 316, dle tabulek č. 1 a č. 2 v předchozí kapitole.

Z tabulky č. 4 můžeme vyčíst, že v měřicím místě L1 ve vertikálním směru je zvýšená hodnota vibrací, která leží v pásmu C. Toto pásmo informuje o tom, že vibrace jsou pro trvalý a dlouhodobý provoz neuspokojivé. Pod tabulkou je tedy uveden obrázek č. 3, na němž je frekvenční spektrum pro zjištění důvodu zvýšených vibrací. Ostatní naměřené hodnoty jsou vyhovující. Jelikož jsou naměřené hodnoty zrychlení vibrací nízké, není potřeba výměny ložisek.

Z frekvenčního spektra na obr. č. 3 je viditelný vysoký peak na otáčkové frekvenci (49,5 Hz) a na druhém násobku síťové frekvence 100 Hz. Důvodem zvýšené hodnoty je nevývaha, která může způsobit poškození ložisek, jehož vedlejším projevem je nadměrný hluk. Vysoký peak o velikosti 5,71 mm/s na dvojnásobku síťové frekvence značí nesymetrii elektromagnetického pole.

Tabulka 4: Naměřené hodnoty na elektromotoru s čerpadlem č. 37

Tabulka efektivních hodnot rychlosti vibrací v pásmu 10–1000 Hz (vRMS) a efektivní hodnoty zrychlení vibrací v pásmu od 500–25600 Hz (aRMS)

Veličina

Směr

Měření 1

Měření 2

L1

L2

L3

L1

L2

L3

vRMS

Horizontální

2,7

2,13

2,7

5

3

3,1

Vertikální

5,4

3,1

3

4,4

2,5

2,7

Axiální

3

0,72

0,9

5,1

3,1

3,2

aRMS

Horizontální

0,31

0,28

0,44

0,02

0,08

0,28

Vertikální

0,13

0,29

0,43

0,04

0,08

0,24

Axiální

0,37

0,53

0,97

0,03

0,08

0,28

02 03Obrázek 3: Spektrum rychlostí pro elektromotor č. 37, L1 – 2940 ot./min, vertikální směr, měření první [7]

Druhé měření bylo provedeno po třech měsících. Účelem měření bylo zjistit, zda se zvýšené hodnoty v měřicím místě L1 ve vertikálním směru dostaly do pásma D a jestli se nepřenesly i do ostatních měřicích míst. Zvýšené hodnoty byly naměřeny ve všech směrech, ale stále v pásmu C. Neuspokojivé vibrace z hlediska dlouhodobého provozu je potřeba zkoumat a provést patřičná opatření, aby byly vibrace sníženy. Hodnoty zrychlení vibrací byly stále nízké, a tak nebyla potřeba výměna ložisek. Níže je na obr. č. 4 uvedeno spektrum rychlostí L1 v axiálním směru, kde byly hodnoty nejvyšší.

Frekvenční spektrum vykazuje obdobné hodnoty jako při prvním měření. Je zde vidět vysoký peak na otáčkové frekvenci (49,5 Hz) a na druhém násobku síťové frekvence (100 Hz). Důvodem zvýšené hodnoty vibrací na otáčkové frekvenci je nevývaha. Vysoký peak 6,00 mm/s na dvojnásobku síťové frekvence značí nesymetrii elektromagnetického pole.

Je doporučeno při příští odstávce motor rozebrat a prozkoumat vinutí motoru.

02 04Obrázek 4: Spektrum rychlostí pro elektromotor č. 37, L1 – 2940 ot./min, vertikální směr, měření druhé [7]

Měření elektromotoru s čerpadlem č. 23

Tabulka 5: Elektromotor s čerpadlem č. 23

Elektromotor

Název

SIEMENS

Výkon

15 kW

Otáčky

2940

Hmotnost

85 kg

Čerpadlo

Název

KSB Aktiengesellschaft 67227 Frankenthal

Průtok

75 /h

Dopravní výška

42 m

Jmenovitý průměr výtlačného hrdla

50 mm

Jmenovitý průměr oběžného kola

200 mm

První měření proběhlo na elektromotoru v místě L1, druhé v místě L2 a jako třetí bylo měřeno čerpadlo v místě L3; umístění snímačů je zobrazeno na obr. č. 5. Parametry měřeného elektromotoru a čerpadla jsou uvedeny v tabulce č. 5. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce č. 6.

Z tabulky naměřených hodnot je patrné, že po prvním měření byl stav motoru i čerpadla vyhovující. Nízké hodnoty zrychlení vibrací tedy nenaznačují, že by byla potřeba výměna ložisek. Účelem druhého měření po téměř čtyřech měsících bylo zjištění, zda se stav nezměnil.

02 05Obrázek 5: Měřicí místa na elektromotoru a čerpadle č. 23, L1 (vlevo), L2 (uprostřed), L3 (vpravo) [7]

Tabulka 6: Naměřené hodnoty na elektromotoru s čerpadlem č. 23

Tabulka efektivních hodnot rychlosti vibrací v pásmu 10–1000 Hz (vRMS) a efektivní hodnoty zrychlení vibrací v pásmu od 500–25600 Hz (aRMS)

Veličina

Směr

Měření 1

Měření 2

L1

L2

L3

L1

L2

L3

vRMS

Horizontální

2,3

1,8

1,4

5,7

3

2,1

Vertikální

3,6

2,4

1,7

4,9

2,6

1,8

Axiální

2,4

1,3

1,1

5,9

3,1

2,2

aRMS

Horizontální

0,28

0,19

0,1

0,02

0,05

0,08

Vertikální

0,2

0,14

0,18

0,05

0,06

0,1

Axiální

0,5

0,34

0,36

0,02

0,05

0,08

Z tabulky naměřených hodnot je patrné, že po prvním měření byl stav motoru i čerpadla vyhovující. Nízké hodnoty zrychlení vibrací tedy nenaznačují, že by byla potřeba výměna ložisek. Účelem druhého měření po téměř čtyřech měsících bylo zjištění, zda se stav nezměnil.

Je patrné, že celkový stav se ve všech třech měřených místech zhoršil, nejvíce však v oblasti L1, kde jsou hodnoty vibrací v pásmu C. Opět je důležité zjistit, co je příčinou nárůstu vibrací, a podniknout potřebná opatření.

Z frekvenčního spektra na obr. č. 6 je patrný vysoký peak na otáčkové frekvenci (49,5 Hz) a na druhém násobku síťové frekvence (100 Hz). Zvýšená hodnota vibrací (5,82 mm/s) na otáčkové frekvenci je způsobena nevývahou. Vysoký peak o velikosti 1,88 mm/s na dvojnásobku síťové frekvence značí nesymetrii elektromagnetického pole.

Je doporučeno i nadále sledovat stav vibrací a v případě nárůstu vibrací až do pásma D je nezbytné naplánovat odstávku zařízení a provést výměnu motoru.

02 06Obrázek 6: Spektrum rychlostí pro elektromotor č. 37, L1 – 2940 ot./min, vertikální směr, měření první [7]

Závěry z měření

Měření proběhlo celkem na 8 elektromotorech s odstředivými čerpadly. Hodnoty téměř všech měření naznačovaly vyhovující stav. Kromě elektromotoru s číslem 37, jehož stav byl mírně zhoršený a kde bylo doporučeno při plánované odstávce motor rozebrat a zkontrolovat rotor. Hodnoty zrychlení vibrací dosahovaly pouze minimálních hodnot, a tak nebylo potřeba zabývat se výměnou ložisek.

Elektromotor s číslem 23 dosáhl taktéž zhoršených hodnot v pásmu C. Jelikož k tomuto zhoršení došlo přibližně v rámci tří měsíců, bylo doporučeno motor nadále sledovat a v případě dosažení hodnot do pásma D okamžitě motor vyměnit. Hodnoty zrychlení vibrací i zde dosahovaly minimálních hodnot, a tak nebyla výměna ložisek nutná.

Závěr

Ofsetové tiskové stroje jsou komplexním zařízením, kde může reengineering údržby vést k vysokým úsporám. Jelikož je ofsetový stroj velmi komplexní, je potřeba určit, na kterých komponentech bude reengineering proveden jako první.

Častou závadou ofsetových tiskových strojů jsou poruchy čerpadel, která mají za úkol čerpat vlhčicí roztok vody a alkoholu do nádrží jednotlivých tiskových věží, odkud se následně nanáší na vlhčicí válec. Bez tohoto vlhčení nedochází ke správné chemické reakci s barvou na tiskové formě a není tak možné provést tisk dle požadavků.

Je důležité zvolit vhodnou metodu měření. V úvahu přichází vibrodiagnostika, která je schopna odhalit závady jak na elektromotoru, tak na čerpadle samotném, ať už jde o nevývažky, či závady na ložiscích.

Popsaná měření byla provedena na elektromotorech s odstředivými čerpadly ve firmě GWK. Výsledky byly použity pro zhodnocení, zda bude vibrodiagnostika vhodná také pro měření na čerpadlech ofsetových tiskových strojů, neboť ta používají stejný typ čerpadel.

Výsledky měření jsou uspokojivé a je možné zjistit příčiny zvýšených hodnot vibrací a zrychlení vibrací, což značí nevývažky i vady na ložiscích. Díky nim je také možné zjistit nesymetrii elektromagnetického pole.

Tyto hodnoty je potřeba sledovat i u čerpadel ofsetových tiskových strojů; vibrodiagnostika s výše uvedeným postupem je tedy vhodná pro začlenění do údržby ofsetových tiskových strojů.

Použitá literatura

  1. KUTIOVÁ, Kristýna. Teze disertační práce: Výzkum možnosti nasazení nedestruktivní diagnostiky za účelem reengineeringu systému údržby ofsetového tiskového stroje. Ostrava, 2021.
  2. BLATA, Jan a Janusz JURASZEK. Metody technické diagnostiky: teorie a praxe = Metody diagnostyki technicznej : teorie a praktyka. Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2013. 134 s. ISBN 978-80-248-2997-5.
  3. HELEBRANT, František a Jiří ZIEGLER. Technická diagnostika a spolehlivost II. Vibrodiagnostika. Ostrava: VŠB – Technická univerzita, 2004. 178 s. ISBN 80-248-0650-9.
  4. ČSN ISO 10816-1. Vibrace – Hodnocení vibrací strojů na základě měření na nerotujících částech, část 1: Všeobecné směrnice, 1998. 24 s. ISSN 011412.
  5. ČSN ISO 10816-7. Vibrace – Hodnocení vibrací strojů na základě měření na nerotujících částech, část 7: Odstředivá čerpadla pro průmyslová použití včetně měření na rotujících hřídelích, 2010. 24 s.
  6. ČSN ISO 10816-3. Vibrace – Hodnocení vibrací strojů na základě měření na nerotujících částech, část 3: Průmyslové stroje se jmenovitým výkonem nad 15 kW a jmenovitými otáčkami mezi 120 1/min a 15 000 1/min při měření in situ, 2010. 20 s.
  7. POSPÍŠIL, Vojtěch. Aplikace metod vibrodiagnostiky na klíčových zařízeních. Ostrava, 2018. Bakalářská. VŠB – Technická Univerzita Ostrava.
  8. BLATA, Jan. Manuál pro výuku: Vibrodiagnostika strojních zařízení. Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2013. 24 s.

Kontaktní údaje

Ing. Kristýna Kutiová

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta strojní, 17. listopadu 15, 708 00 Ostrava

Tel: 739943289

email: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz