Vibrační diagnostika v praxi – příklady

Obrázek 1: Buzení kladivem (za provozu) Obrázek 1: Buzení kladivem (za provozu)

Jsou uvedeny příklady využití systému na monitorování vibrací a diagnostiku při řešení závad, jako jsou nevyváženost, mechanické uvolnění, mechanické závady elektromotorů, a je uvedena informace o částečně úspěšném pokusu zjišťování trhlin v turbínových lopatkách s použitím modální analýzy.

  1. Úvod

Po roce 1985 se začaly používat systémy pro vibrační diagnostiku s počítačovou podporou. Podstatné části těchto systémů – analyzátor, počítač a software – byly v té době embargovány a vyřídit jejich nákup znamenalo dosti velké úsilí.

Jeden takový systém založený na dvoukanálovém analyzátoru a technickém počítači se softwarem v jazyku Basic začal být používán v ostravsko-karvinských elektrárnách a prakticky současně v jaderné elektrárně Dukovany (po Černobylu).

Jenže takový systém sice poskytoval široké možnosti využití, ty však vyžadovaly dobré speciální znalosti diagnostiků. A těch bylo zpočátku málo.

Dále jsou uvedeny příklady využití systému pro řešení nevyváženosti, mechanického uvolnění, mechanických závad elektromotorů a pro zjišťování trhlin lopatek aplikací experimentální modální analýzy.

  1. Provozní vyvažování

Pokud dojde ke zvýšení vibrací stroje, je obvyklým požadavkem provozního personálu „Tak to vyvaž“. Často to jde, a dokonce docela dobře, ale přesto se v tomto problému někdy skrývá past: Příčina vibrací na frekvenci otáčení může být jiná než obyčejná nevyváženost anebo je dosti malá nevyváženost kombinována s jinou dominantní závadou.

Pro ty, kteří se s touto problematikou setkávají jen občas, doporučuji podívat se na nově vydanou normu ČSN ISO 13373-5: Monitorování stavu a diagnostika strojů – Monitorování stavu vibrací – část 5: Diagnostické metody pro ventilátory a dmychadla, kde je tabulka A.2 – Pozorovatelné symptomy typických poruch.

V této tabulce je uvedeno celkem 15 typů závad, které se projevují na frekvenci otáčení (1X): nesouosost hřídelů / chyby koncentricity, mechanické uvolnění, nadměrná vůle v ložisku, předpětí od potrubí, měkká patka, přidírání, nevyváženost, ohnutý hřídel, deformace skříně, rezonance, naklápění základu, rám není ustavený, aerodynamické síly, závady řemenů, rezonance řemene, velké napnutí řemene, excentricita řemenice nebo nesouosost řemene/řemenic. (Je vhodné zvážit i mechanické závady elektromotorů – prasklé tyče apod.)
A jen jedna z uvedených možných příčin je nevyváženost!

To je vážné varování, které je třeba mít na paměti při rozhodování, zda vyvažovat.

Před provozním vyvažováním je třeba ověřit, že příčinou vibrací na frekvenci otáčení je nevyváženost.

Poznámka autor: V jednom moudrém článku, který napsal zkušený praktik, je věta „Pokus o vyvažování v blízkosti rezonance udělá z člověka úplného troubu“. I to se mi stalo.

  1. Provozní tvary kmitu (PTK)

Jednou z dosti častých příčin vysokých vibrací, která dovede hodně potrápit, je mechanické uvolnění často způsobující přeladění konstrukce do blízkosti rezonance.

Někdy lze příčinu mechanického uvolnění najít při pečlivé prohlídce – mnoho podložek pod patkami elektromotoru, šrouby, které drží jen částí dosedací plochy, viditelné praskliny konstrukce. Někdy však prohlídka nevede k nalezení příčiny.

Někdy stačí porovnávat hodnoty vibrací a fáze nad a pod spojem. Ale přiznávám, že v literatuře uváděný rozdíl fází cca 180° jsem nikdy v praxi „nepotkal“. Zato mě silně potrápil případ uvolnění základové desky, kde rozdíl fáze mezi deskou a betonem byl pouhých 7°. Takže může zklamat i tento pokus o nalezení místa uvolnění.

V minulosti se používaly různé grafické metody znázornění pohybu částí – byly co do vytvoření i co do interpretace pracné. (Občas to někteří diagnostici stále zkoušejí.)

Proto byl po dohodě s SVÚSS (tehdy Státní výzkumný ústav pro stavbu strojů) vytvořen počítačový program pro náš počítač (v jazyce Basic), který umožnil zviditelnění pohybu konstrukce na dominantní frekvenci.

Metoda byla opakovaně s úspěchem použita a po víceletých zkušenostech byly hlavní poznatky a doporučení pro použití zpracovány v disertační práci.

Podstatné informace z používání metody jsou všeobecně známé:

  1. Metoda zviditelnění provozních tvarů kmitu je z hlediska aplikace jednoduchá.
  2. Metoda poskytuje výsledky jen pro zadaný model, který má být dostatečně věrným zobrazením skutečnosti, jinak nevede k cíli.
  • Geometrický model: Důležité body je třeba zvolit nejen na samotném stroji (zejména nad a pod všemi konstrukčními spoji), ale také na podstatných částech, které jsou s ním spojeny (včetně relevantní části základu).
  • Dynamický model (volba směrů měření v bodech): Doporučuje se zásadně měření ve všech třech směrech v každém bodě. Vynechání zdánlivě nevýznamného směru (malé hodnoty vibrací) může znamenat, že výsledek analýzy je prakticky nepoužitelný, tj. nevede k určení příčiny problému.

V současnosti je program PTK zahrnut do softwarových balíčků (obvykle drahých).

Takový moderní program umožňuje zviditelnění kmitání na více frekvencích (v různých oknech). S aplikací pro více frekvencí však nemám osobní zkušenost.

Existuje také program, který umožňuje zviditelnění na základě časových průběhů. Protože tyto časové úseky musejí být synchronní, myslím, že pro řešení úlohy uvolnění (kdy se model skládá ze 40 i více bodů) může být program dosti obtížně použitelný. Vstup synchronních signálů vyžaduje stejný počet vstupních kanálů.

Ale existují i jednoduché programy, obvykle s ručním vstupem dat. I když zadávání dat je poněkud obtížné (trvá obvykle nejméně jednu směnu), domnívám se, že dobrý výsledek může nahradit tuto časovou ztrátu.

Dále je příklad porovnání výsledků měření provozních tvarů kmitu a provozní modální analýzy.

  1. Příklad zjištění provozního tvaru kmitu a provedení provozní modální analýzy

Toto je příklad pro porovnání obou metod. Měření provozního tvaru kmitu (PTK) i měření pro provozní modální analýzu (OMA) zadního stojanu generátoru provedli studenti v rámci předmětu vibrační diagnostika na katedře mechaniky FS VŠB.

Cíle měření byly tyto:

  • zjistit příčinu nadměrných vibrací stojanu generátoru v axiálním směru za ustáleného provozu;
  • porovnat výsledky PTK a softwaru pro provozní modální analýzu (OMA).

01 02Obrázek 2: Ukázka displeje s jedním měřením

Příklad výsledku analýzy metodou PTK na 100 Hz je na obrázku 3. Zde je patrný náznak uvolnění základové desky jako možné příčiny zvýšení axiálních vibrací.

01 03Obrázek 3: Výsledek analýzy PTK na 100 Hz

Z programu pro provozní modální analýzu lze jako výsledky získat jednak módy, které odpovídají provozním tvarům kmitu, a jednak módy, které jsou vlastními módy měřené konstrukce. Ukázalo se, že nadměrné vibrace v axiálním směru na druhé harmonické složce otáčkové frekvence (100 Hz) jsou způsobeny hlavně tím, že konstrukce má za provozu velmi blízko vlastní frekvenci 95,7 Hz a kmitá tedy v podstatě prvním vlastním tvarem kmitu.

01 04Obrázek 4: Vlastní tvar kmitu z OMA na 95,7 Hz (prakticky shodný s PTK na 100 Hz)

Dílčí závěry:

  • Analýza PTK ukázala slabé místo – uvolněné připevnění základové desky.
  • Analýzou OMA bylo zjištěno, že zvýšené hodnoty axiálních vibrací stojanu jsou způsobeny blízkostí vlastní frekvence konstrukce za provozu a budicí frekvence (blízkost rezonance) a také dílčím mechanickým uvolněním základové desky.
  • Bylo ověřeno, že přirozené buzení při chodu stroje spolu s přídavným buzením pomocí úderů kladivem s měkkou špičkou je dostatečné k tomu, aby byly získány módy konstrukce pomocí programu pro provozní modální analýzu.
  • Bylo by vhodné ověřit, zda se pro OMA lze při měření na rotačních strojích obejít bez přídavného buzení kladivem (zda je stochastické buzení postačující).

Poznámka autora: Byl zjištěn dosti velký rozdíl mezi vlastní frekvencí „za klidu“ (116 Hz) a vlastní frekvencí za provozu (97,5 Hz). Příčina není exaktně známá.

  1. Diagnostika mechanických závad asynchronních elektromotorů

Ve snaze zdokonalit identifikaci mechanických závad asynchronních elektromotorů bylo ve spolupráci s katedrou elektroenergetiky VŠB a s diagnostickým střediskem OKD prováděno ověření metody analýzy napájecího proudu. Laboratorní zkoušky byly provedeny na motoru 5 kW s postupným přerušováním tyčí. Spektrum je na následujícím obrázku. Postranní pásma jsou výrazná a lze je použít pro diagnostiku.

01 05Obrázek 5: Příklad spektra napájecího proudu

Provozní zkoušky byly provedeny na motoru 110 kW, rovněž byly úspěšné.

Výzkumné a ověřovací práce trvaly 2 roky a jsou popsány ve zprávách.

  1. Zjišťování trhlin s využitím experimentální modální analýzy

Ve spolupráci s katedrou mechaniky FS VŠB probíhal několikaletý výzkum pro ověření možností a omezení experimentální modální analýzy (EMA) při její aplikaci na zjišťování trhlin v konstrukci. Pro experimenty byl zvolen nosník (lopatka).

Byly provedeny experimenty, a to jak laboratorní, tak provozní, při nichž byla ověřena přesnost a spolehlivost, se kterou je možné modální parametry – vlastní frekvenci, modální tlumení a vlastní tvary – z naměřených dat získat. Podrobně byl prozkoumán zejména vliv okrajových podmínek. Byl použit program založený na neuronové síti.

Použití EMA k diagnostice poruch ve strukturách je téma, jemuž byla v době tohoto výzkumu věnována samostatná sekce na konferencích IMAC pořádaných v USA i na konferencích ISMA (International Seminar on Modal Analysis) pořádaných každé dva roky v belgickém Leuvenu. Avšak bylo publikováno relativně málo příspěvků, které se zabývaly skutečnými experimenty, a ne pouze počítačovými modely.

Při experimentech s tyčemi se zářezy byly vyzkoušeny různé metody identifikace porušení založené na změnách vlastních frekvencí a vlastních tvarů. Modální tlumení nebylo u těchto experimentů vyhodnocováno. Pokus naučit neuronovou síť poruchu lokalizovat nebyl úspěšný z důvodu malého množství dat použitelných pro učení neuronové sítě.

Pro únavové zkoušky s vytvořením skutečné trhliny byly zvoleny dva druhy turbínových lopatek – prismatické o délce 220 mm s uchycením ve svěrce modelující skutečné uchycení v rotoru a zkroucené lopatky s vlastním závěsem s délkou listu 180 mm. Zkoušky byly prováděny na elektrodynamickém vibrátoru.

Provedené únavové zkoušky turbínových lopatek v obou případech prokázaly, že v průběhu únavové zkoušky je možné bez problémů zjistit počátek vzniku trhliny podle poklesu vlastní frekvence, na které je lopatka nucena kmitat. Z dat získaných během únavové zkoušky je možné i později existenci trhliny prokázat, protože vlastní frekvence při rozvoji trhliny klesají a tlumení módu, na němž lopatka kmitala, roste. Jednoznačné je to pouze v případě laboratorního experimentu, kdy jsou k dispozici data v neporušeném stavu lopatky a průběžně získávaná data při rozvoji trhliny.

01 06 1Obrázek 6: Příklad FRF a Nyquistova diagramu neporušené prismatické lopatky     
                              

01 06 2Obrázek 7: Příklad FRF a Nyquistova diagramu stejné lopatky po rozvoji trhliny v uchycení

01 06 3Obrázek 8: Uspořádání při únavové zkoušce zkroucené lopatky

01 07 1Obrázek 9a: Vlastní frekvence neporušené lopatky (vlevo) a lopatky s trhlinou   
                    

01 07 2Obrázek 9b: Nyquistův diagram neporušené lopatky (vlevo) a lopatky s trhlinou

V provozních podmínkách je situace jiná – ideální by bylo, kdyby trhlinu bylo možné identifikovat na základě jejích projevů, aniž by byla k dispozici původní data. Původní myšlenka na počátku tohoto výzkumu byla sice taková, že bude vytvořena databáze lopatek na nových rotorech a při odstávce turbíny se budou sledovat změny stavu každé jednotlivé lopatky.

Provedená měření na jednom rotoru – novém a po třech letech provozu – však ukázala, že ani tento přístup není jednoznačný, protože vlastní frekvence a jim příslušející poměrné útlumy jsou ovlivněny i jinými vlivy než existencí trhliny. Při srovnání těchto veličin u lopatek na novém rotoru a u stejných lopatek po třech letech provozu bylo vidět, že vlastní frekvence některých lopatek se změnily více, než se mění vlastní frekvence při únavových zkouškách, přitom trhlina na těchto lopatkách nebyla.

Využití neuronové sítě k identifikaci trhliny v lopatce je opět bezproblémové v laboratorních podmínkách. Neuronovou síť se podařilo adaptovat na data z únavových zkoušek více kusů lopatek stejného typu. Prokázalo se, že neuronová síť je schopna generalizace, takže teoreticky by mělo být možné ji použít v provozních podmínkách, kde je třeba vyhodnotit data mnoha lopatek stejného typu. Problém je ale v tom, že nebyla k dispozici učicí množina, na které by proces adaptace proběhl.

Jako další, dosud nevyzkoušená možnost se jeví sledování změn tvaru modální kružnice prvního módu. Vzniklá trhlina způsobí, že struktura je nelineární a modální kružnice se významně deformuje.

Měření lopatek na rotorech bylo vždy provedeno v širším frekvenčním pásmu, ve kterém se vyskytovalo několik vlastních frekvencí. Ale zkušenost ukazuje, že nejspolehlivější je vždy první mód a interpretace změn modálních parametrů vyšších módů je problematická. Navíc první mód přísluší u lopatek prvnímu tvaru kmitu a většinou způsobuje trhliny u závěsu lopatky.

Celý popisovaný výzkum byl motivován snahou najít metodu, která bude schopna identifikovat trhliny u závěsu lopatky, tedy v místě, které je pro jiné metody nedestruktivní defektoskopie nepřístupné.

Bylo by vhodné v budoucnosti aplikovat následující postup: sledovat pouze první mód pomocí měření s frekvenční lupou v úzkém frekvenčním pásmu. Výhodou tohoto postupu by mimo jiné bylo, že by bylo možné zobrazovat naměřenou FRF ve formě Nyquistova diagramu přímo na obrazovce analyzátoru, a pokud by se deformace Nyquistovy kružnice vyskytla, byla by podezřelá lopatka zjištěna okamžitě na místě a bez nutného následného zpracování naměřených dat.

Při dostatku času, což bývá u provozních měření spíše výjimečně, by bylo vhodné provést navíc i měření podle původně plánované metodiky, tj. měření v širším frekvenčním pásmu, aby bylo možné srovnávat aktuální hodnoty modálních parametrů s předchozím stavem.

Pokud se v budoucnu použije EMA ke sledování i jiných struktur, bude možné uplatnit dosud získané zkušenosti.

Poznámka pro případné zájemce o tuto aplikaci EMA: Podrobný popis prací a výsledky měření i jejich zpracování je v pěti dílčích zprávách a v disertační práci.

A pro pobavení jedna perlička na závěr:

Když jsem se jako mladý, zvídavý inženýr účastnil únavové zkoušky problematické lopatky, zkoušel jsem, jestli nelze v průběhu zkoušky zjistit začínající trhlinu prstem/nehtem. Ze začátku nic… a pak jsem se spálil (opravdu byla lopatka v jednom místě velmi horká).

A tak mi tato zkušenost utkvěla v paměti a při výše popsaných únavových zkouškách jsem se pokusil o objektivní ověření pomocí termografické metody. Níže je uveden příklad z dat (obrázků), která pro tento účel získal externista (celkem bylo pořízeno při zkoušce lopatky č. 1 přesně 7 snímků, lopatky č. 2 pak 12 snímků, lopatky č. 3 nakonec 53 snímků).

01 08Obrázek 10: Jeden ze snímků v průběhu zkoušky, a to ještě před vznikem trhliny – vždy bylo nutné vypnout buzení vibrací, takže teplo se v oceli trochu „rozprostřelo“; skutečná místní teplota je pravděpodobně vyšší

01 11 1Obrázek 11a: Snímek lopatky s trhlinou, pro kterou byl proveden termogram (viz 11b)

01 11 2Obrázek 11b: Příklad zpracování termogramu snímku v obr. 11a

Téměř neskutečně krásné, ale…

01 12Obrázek 12: …jak pochopit, že se trhlina nakonec rozvinula z náběžné hrany?

Výzkumné a ověřovací práce trvaly několik let a jsou popsány ve zprávách.

Závěry

Předpokladem pro dobré vyvážení je posouzení a odstranění jiných příčin vibrací na frekvenci otáčení, a to ještě před vyvažováním.

V případě mechanického uvolnění je vhodné uvážit aplikaci zviditelnění tvaru kmitu pomocí programu PTK. Pro dosažení dobrého výsledku je však nutné, aby model pro PC byl geometricky i dynamicky správný. Je možné zvážit i použití programu pro provozní modální analýzu OMA na zjištění, jestli příčinou vibrací není blízkost vlastního tvaru kmitu a provozních podmínek (blízkost rezonance).

Pro analýzu poškození částí trhlinami se jeví jako slibná aplikace experimentální modální analýzy spolu s neuronovou sítí a případné využití termografické diagnostiky.

Soubor norem pro monitorování a diagnostiku obsahuje řadu doporučení a pomůcek pro diagnostickou práci (zejména v přílohách jednotlivých částí).

Literatura

ČSN ISO 13373 (soubor): Monitorování stavu a diagnostika strojů – Monitorování stavu vibrací

Biloš J.: Metoda zviditelnění provozních tvarů kmitu – její místo a použití ve vibrační diagnostice (disertační práce) VŠST-TU Liberec 1993

Bilošová A.: Využití experimentální modální analýzy k diagnostice porušení strojních součástí (disertační práce) VŠB-TU Ostrava 2002

Bilošová A.: Aplikovaný mechanik jako součást týmu konstruktérů a vývojářů:
část Modální zkoušky VŠB TU Ostrava 2012

Bilošová A.: Aplikovaný mechanik jako součást týmu konstruktérů a vývojářů:
část Vibrační diagnostika VŠB TU Ostrava 2012

Firemní dokumentace k softwaru na analýzu vibrací

Firemní dokumentace k softwaru pro experimentální modální analýzu a pro provozní modální analýzu

Autorem článku je Jan Biloš, certifikovaný diagnostik, 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