analýza závad
DESCRIPTION
Analýza závad. Analýza spekter Nevyváženost Nesouosost Mechanické uvolnění Závady ložisek Závady elektromotorů Analýza převodovek Rezonance a kritické otáčky. Analýza závad. 1. Analýza frekvenčních spekter. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
VB2-5 Analýza závad / Snímek 1
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Analýza závad
VB2-5 Analýza závad / Snímek 2
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Analýza závad
Analýza spekter Nevyváženost Nesouosost Mechanické uvolnění Závady ložisek Závady elektromotorů Analýza převodovek Rezonance a kritické otáčky
VB2-5 Analýza závad / Snímek 3
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
1. Analýza frekvenčních spekter
VB2-5 Analýza závad / Snímek 4
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 5
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 6
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Ve frekvenčním spektru hledáme
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 7
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Ve frekvenčním spektru hledáme
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 8
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Ve frekvenčním spektru hledáme
Interharmonické frekvence Jsou neceločíselným násobkem nebo podílem základní frekvence Mohou být způsobeny signálem z neznámého zdroje Vyskytují se především v pokročilém stádiu poškození
VB2-5 Analýza závad / Snímek 9
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Ve frekvenčním spektru hledáme
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 10
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Postranní pásma
f0
f
VB2-5 Analýza závad / Snímek 11
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Ve frekvenčním spektru hledáme
Spojitá pásma Jsou důsledkem nestacionárních (obecněji náhodných) signálů Mohou být způsobeny frekvenční modulací Nejčastěji jsou důsledkem
– proudění tekutin
– Tření
– Víření oleje
VB2-5 Analýza závad / Snímek 12
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 13
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 14
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Další možnosti spektrální analýzy
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 15
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Další možnosti spektrální analýzy
Řádová analýza
VB2-5 Analýza závad / Snímek 16
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
2. Nevyváženost
VB2-5 Analýza závad / Snímek 17
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 18
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 19
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 20
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
3. Nesouosost
VB2-5 Analýza závad / Snímek 21
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 22
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 23
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
4. Mechanické uvolnění
VB2-5 Analýza závad / Snímek 24
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 25
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 26
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
5. Závady ložisek
VB2-5 Analýza závad / Snímek 27
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 28
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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.
VB2-5 Analýza závad / Snímek 29
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Valivá ložiska Výrazné složky na chybových frekvencích ložiska Vyšší harmonické na rotorové frekvenci
n – počet valivých těles
D1
D2
BD
2DD
PD 21
VB2-5 Analýza závad / Snímek 30
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 31
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 32
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 33
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 34
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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.
VB2-5 Analýza závad / Snímek 35
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 36
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 37
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
6. Závady elektromotorů
VB2-5 Analýza závad / Snímek 38
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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)
VB2-5 Analýza závad / Snímek 39
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 40
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 41
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
7. Analýza převodovek
VB2-5 Analýza závad / Snímek 42
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 43
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 44
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
8. Rezonance a kritické otáčky
VB2-5 Analýza závad / Snímek 45
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 46
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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
VB2-5 Analýza závad / Snímek 47
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Bílý šum
Čas
Frekvence
VB2-5 Analýza závad / Snímek 48
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
Buzení impulsem
Čas Frekvence
VB2-5 Analýza závad / Snímek 49
Školící a pilotní pracoviště TU v Liberci
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