162

3.19.17. Analiza neispravnosti (otkaza) ukorenjenih uzroka Proaktivno održavanje može biti definisano kao nastavak prediktivnog održavanja koje uključuje određivanje razloga zbog kojih se mašina pokvarila. Dok je važno i ekonomski opravdano otkriće ranih stadijuma kvara mašine i korigovanje istih pre nego što dovedu do kvara, jednostavnom zamenom pokvarenih delova kao što su ležaji, dok korigujemo momentalni problem i obezbedimo mašini nastavak rada, bez pronalaženja uslova koji su doveli do kvara na prvom mestu. Koraci analize neispravnosti:

• Određivanje koje su komponente mašine odgovorne za problem. • Određivanje uzroka kvara mašine. • Preduzimanje odgovarajućih koraka da se eliminiše identifikovani uzrok problema. Jedan

odličan primer onoga što bi trebalo da se uradi je precizno regulisanje prenosnika snage, koja je sklona kvarovima na ležajima zato što ima ekscesivno radijalno opterećenje.

• Ispitivanje i analiza drugih mašina istog tipa i sprovođenje istih preventivnih zadataka na njima ukoliko odgovaraju.

• Redizajn instalacije mašine da bi se eliminisala mogućnost da se isti problem desi kasnije. Drugim rečima, dizajnirati problem van mašine.

3.19.18. Dijagnostika mašina Neravnoteža

• Proračun sile neravnoteže

,rIF 2m ω=

gde je F – sila neravnoteže, Im je masa, r – rastojanje od obrtne tačke i ω – ugaona frekvencija, jednaka 2 puta frekvencija u Hz.

Na osnovu ovoga, možemo videti da je sila obrtne tačke proporcionalna rastojanju od centra rotacije i kvardatu brzine. Rotor koji ima dobro određen položaj nije sasvim ekvivalentan postavljenoj masi. U slučaju dodate mase, centar gravitacije sistema je centar te same mase, pošto je težište rotora u neravnoteži sa spoljašnjom masom i nalazi se u blizini ose rotacije rotora.

Slika 3.154 Ako je struktura oslonca ležaja takav sistem koji je beskonačno čvrst, centar rotacije se ograničava na kretanje, a centripetalna sila nastaje kao rezultat neravnoteže mase koja se može izračunati na osnovu date formule. Sila se održava na ležajevima. Razmotrimo hipotetičku mašinu gde ležajevi nisu čvrsto podržani, nego su privremeno udaljeni (slika 3.155).

163

Slika 3.155 Pod ovim uslovima centralna linija osovine nije ograničena i rotor se okreće oko svog centra gravitacije. Sila od 1 x RPM na ležajevima će biti veoma mala zato što jedino što se zahteva je akceleracija ležajeva prema gore pomenutoj amplitudi. Parna amplituda vibracija ležajeva će biti jednaka dvostrukoj udaljenosti između težišta i centralne linije rotora. I više od toga, amplituda vibracija ležajeva je konstanta, uprkos brzini rotora, obezbeđujući da brzina bude veća od prirodne frekvencije ovog sistema. Primetimo da amplituda vibracija nema ništa sa gore navedenom formulom za silu. Ako brzina dobro smanjuje prirodnu frekvenciju, sistem je dobro kontrolisan i formula centripetalne sile važi. Brzine koje su veće od prirodne frekvencije su kontrolisane masom i imaju konstantnu amplitudu, a sile na ležajevima nisu lako predvidljive i zavise od ekvivalentne mase ležajeva.

Slika 3.156. Statička neravnoteža

• Parna neravnoteža

Slika 3.157. Parna neravnoteža

U slučaju čiste neravnoteže, bila statička ili dinamička, aksijalni 1X i 2X nivo vibracija će biti nizak.

• Jačina neravnoteže Jačina neravnoteže zavisi i od tipa i veličine mašine jednako kao i od nivoa vibracija. Da bi se odredila jačina neravnoteže prosečni 1X nivo ispravne mašine istog tipa, koriste se ova dva parametra, da bi se moglo napraviti poređenje. Ukoliko je drugi po redu vrh jednako veliki kao prvi, mora se pretpostaviti da postoji razdešenost (nesaosnost). Sledeći nivoi predstavljaju uputstva za generalnu upotrebu u dijagnosticiranju neravnoteže mašine pokrenute na 1800 ili 3600 min-1. Veoma visoka brzina mašine ima niže nivoe tolerancije.

164

Tabela 3.17 1X vibracioni nivo VdB Dijagnoza Prioritet opravke

manje od 108 VdB (0.141 ips) laka neravnoteža Nema preporuka 108 –114 VdB (0.141 – 0.282 ips) srednja neravnoteža poželjna 115 – 124 VdB (0.316 – 0.891 ips) jaka neravnoteža značajna više od 125 VdB (više od 1.00 ips) ekstremna neravnoteža obavezna

Mereni nivo vibracija na 1X zavisi od ukočenosti mašine koja je postavljena jednako kao i od količine neravnoteže, gore opisane mašine pokazuju više od 1X od solidno postavljenih mašina za isti stepen neravnoteže. Ukupna veličina mašine takođe utiče na dozvoljene nivoe od 1X, kako sledi u tabeli 3.18. Tabela 3.18

1X vibracioni nivo VdB Tip mašine Prioritet opravke 109 VdB (0.158 ips) mala pojedinačna pumpa poželjno 118 VdB (0.447 ips) velika hidraulična pumpa poželjno 116 VdB (0.355 ips) ventilator srednje veličine poželjno

Tangencijalni i radijalni 1X nivoi se mogu porediti. Približno su jednaki, više su verovatni kada se dešava neravnoteža. U bilo kom slučaju, pravac u kome je mašina imala najmanju ukočenost će biti pravac sa najvišim 1X nivoom.

• Neravnoteža kod vertikalno postavljenih mašina Vertikalne mašine, poput pumpi, su često poduprte podlogom i one uvek pokazuju maksimalne 1X nivoe na slobodnom kraju motora bez obzira na to gde se nalaze izvori vibracija. Da bi se odvojila neravnoteža motora i pumpe, neophodno je razdvojiti par i pokrenuti motor na 1X da bi se izvršilo merenje. Ako je nivo još uvek visok na 1X u pitanju je problem motora, a ako je drugačije, u pitanju je pumpa.

• Neravnoteža obešenih mašina Kod mašina koje su obešene ili poduprte, kao što su ventilator koji kao i rotor proizvodi 1X vibraciju u aksijalnom pravcu jednako kao i u nekim radijalnim i tangencijalnim u blizini ležaja. Ovo je zbog toga što neravnoteža nastaje usled momenta savijanja osovine, izazivajući aksijalno kretanje kućišta ležaja. Primeri obešenih rotora su blisko uparene pumpe, aksijalni tok ventilatora i male turbine.

Slika 3.158. Parna neravnoteža

• Neravnoteža obešenih mašina Kod mašina koje su obešene ili poduprte, kao što su ventilator koji kao i rotor proizvodi 1X vibraciju u aksijalnom pravcu jednako kao i u nekim radijalnim i tangencijalnim u blizini ležaja.

165

Ovo je zbog toga što neravnoteža nastaje usled momenta savijanja osovine, izazivajući aksijalno kretanje kućišta ležaja. Primeri obešenih rotora su blisko uparene pumpe, aksijalni tok ventilatora i male turbine.

Slika 3.159 Ležaj koji je najbliže obešenom rotoru će uvek pokazivati najviši radijalni 1X vibracioni nivo.

• Izvori neravnoteže Sledeći problemi mašina su oni koji stvaraju neravnotežu:

• Neujednačena akumulacija prljavštine na lopaticama rotora, • Nepostojanje homogenosti u livenim delovima, kao što su mehurići, otvori za vazduh,

porozni delovi, • Ekscentricitet rotora, • Defleksija rolni, • Greške mašina u dizajnu, • Neravnomerna raspodela mase na električnom motoru rotora ili krila, • Neravnomerna erozija i korozija impelera pumpe, • Nedostatak težine ravnoteže, • Savijena osovina.

Nesaosnost (razdešenost) Nesaosnost se dešava onda kad centralna linija uparenih osovina ne može da se poklopi. Ukoliko je nesaosnost centralne linije takva da je podudarna, to je paralelna nesaosnost. Ukoliko je nesaosnost osovine takva da se sreću u tački ali da nisu paralelne, onda je to nesaosnost nazvana uglastom. Gotovo svi uslovi za nesaosnost mašina viđeni u praksi su kombinacija ove dve osnovne vrste.

• Paralelna nesaosnost

Slika 3.160

166

Ukoliko je brzina mašine promenljiva, vibracija usled neravnoteže će se menjati kao kvadrat brzine. Ukoliko se brzina duplira, neravnoteža će rasti sa faktorom četiri, dok vibracije indukovane usled nesaosnosti se neće menjati u veličini. Na slici 3.103, desno, dat je tipičan spektar vibracija nesaosne mašine.

• Ugaona nesaosnost Ugaona nesaosnost proizvodi moment savijanja na osovini i stvara jake vibracije na 1X i neke vibracije na 2X u aksijalnom pravcu oba ležaja, ali i u suprotnoj fazi. Ovde su takođe prilično snažne radijalne i/ili poprečne 1X i 2X nivoa, ali u fazi.

Slika 3.161

Nesaosne spojnice uvek proizvode vrlo visoke aksijalne 1X nivoe na ležajima sa druge strane osovine.

• Generalna nesaosnost Mnogi slučajevi nesaosnosti su kombinacija gore opisanih tipova, a dijagnoza se zasniva na snažnijim 2X vrhovima od onih na 1X i postojanju aksijalnih vrhova na 1X i 2X. Treba povesti računa o tome da aksijalni 1X nivoi nisu izazvani neravnotežom obešenih rotora. Nesaosnost proizvodi različite simptome na različitim tipovima mašina, a prosečne vibracije za zdrave mašine se mogu konsultovati da bi se odredile dozvoljene vibracije na 1X i 2X nivoima.

• Uticaji temperature na regulisanje Najbolji način za regulisanje bilo koje mašine se uvek dešava na jednoj operativnoj temperaturi i pretpostavka je da je to normalna operativna temperatura. Imperativ je da se merenje vibracija za dijagnozu nesaosnosti radi sa mašinama na normalnoj operativnoj temperaturi.

• Razlozi za nesaosnost Nesaosnost se tipično dešava pod sledećim uslovima:

• Netačno postavljene komponente, kao što su motori, pumpe i slično, • Relativna pozicija komponenti koje se premeštaju posle postavljanja, • Iskrivljenja usled sila koje se javljaju u cevovodima, • Temperatura indukuje rast strukture mašine, • Spojnica nije normalna na osu osovine.

• Izvijena osovina

Slika 3.162

167

Noseći ležaj rukavca Mnogi problemi nosećih ležaja rukavaca generišu vrhove u spektru na frekvenciji nižoj od 1X, koji se nazivaju sub-sinhronizovanim vrhovima. Ponekad se kreiraju i harmonici ovih sub-sinhronizovanih vrhova, ukazujući na ozbiljnu degradaciju ležajeva. Ovde su predstavljene neke stvari koje mogu služiti za dijagnosticiranje nosećih ležajeva rukavca.

• Uljni vrtlog Uljni vrtlog je situacija u kojoj se dešavaju snažne vibracije na 0.38X do 0.48X. Nikad ne pokazuje precizno 0.5X, ali je uvek malo niža frekvencija. Izazvane su ekcesivnim zazorom i slabijim radijalnim opterećenjem, što rezultira uljnim filmom i silama na centralnoj liniji rukavca koji se okreće okolo ležajeva u pravcu suprotnom od rotacije na manje od jedne polovine RPM. Uljni vrtlog je ozbiljan nedostatak i treba da bude korigovan, jer može izazvati deterioraciju prilično brzo u tački gde dolazi do kontakta metala sa metalom, kod ležajeva.

• Uljni udar Rešenja za uljni udar i uljni vrtlog su veoma podesna za male zazore ležajeva i adekvatno radijalno opterećenje. Kada ubrzamo ogromne turbine, važno je da prođu kroz kritične frekvencije veoma brzo da bi se rešio problem uljnog udara.

• Labavost rukavca

Slika 3.163 1/2, 1/3 i 1/4 – red veličine harmonika koji se ponekad nazivaju sub-harmonicima.

• Pritisak nosećeg ležaja rukavca Prilično pohabani ležajevi obično predstavljaju snažne aksijalne komponente prvih nekoliko harmonika od 1X. Vibracioni vrh je predominantan u aksijalnom pravcu. Kuglični elementi ležajeva Mnogo godina iskustva u praksi pokazuje da manje od 10% svih ležajeva radi u toku projektovanog životnog veka. Oko 40% otkaza ležajeva se pripisuje nepravilnom podmazivanju i oko 30% otkaza nastaje zbog nepravilnog montiranja, to jest razdešenosti ili »stožiranja«. Oko 20% kvarova se dešava iz drugih razloga, kao što su defekti usled preopterećenja i proizvodnih defekata i slično.

168

Slika 3.164

Formule za računanje frekvencije ležajeva na osnovu geometrije ležajeva su malo neprecizne zato što aksijalno opterećenje i klizanje deluju na njih na malo nepredvidiv način. Broj kuglica u većini ležajeva je obično između 8 i 12, ali na ležajevima veoma velikih prečnika, broj kuglica može biti mnogo veći.

Slika 3.165. Legenda: fup – frekvenca unutrašnjeg prstena, fsp – frekvenca spoljašnjeg prstena, fkav – frekvenca kaveza fkug – frekvenca kotrljajnog tela, N – broj kotrljajnih tela, b – prečnik kotrljajnog tela [mm], d – prečnik ležaja [mm],

n – broj obrtaja ležaja [Hz], θ – ugao kontakta između staze i kotrljajnog tela [O]

• Habanje kugličnih elemenata ležaja Prvi stepen defekta ležaja prouzrokuje znak koji odaje ne-sinhronizovane frekvencije vibracija nazvane »tonovi (šumovi) ležaja« i njihove harmonike. Šumovi ležaja na 0.1524 mm po sekundi (81 VdB) ili viši, smatraju se značajnim. Ponekad novi ležajevi proizvode šumove, naročito ako su oštećeni tokom montaže, prebacivanja, ili prilikom proizvodnje.

Slika 3.166

Ukoliko je defekt ležaja veoma mali po veličini, kao što je pukotina na jednom, vibracije će pokazivati harmonike tonova ležaja sa vrlo malo ili bez osnove frekvencije. Ako defekt počinje rasprskavanjem, osnovni ton ležaja će uvek biti višeg nivoa od harmonika. Kako defekt biva sve gori, ukupni nivo tonova ležaja će rasti, kao ukupni rašireni nivo buke.

ndcosb1

2Nfup ⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅+⋅=

θ

ndcosb1

2Nfsp ⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅−⋅=

θ

ncosdb1

21fkav ⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅−⋅= θ

( ) ncosdb1

b2df 2

2

kug ⋅⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−⋅= θ

169

• Bočni opsezi Ako je defekt na unutrašnjem prstenu ležaja, brzina okretanja će modulirati amplitudu tonova ležaja, što će izazvati bočne opsege oko tonova ležaja, postavljene odvojeno na 1X. Modulacija amplitude nastaje usled činjenice da unutrašnji prsten kreće izvan i u zoni opterećenja ležaja po jednom obrtaju. Dok je u zoni opterećenja, defekt proizvodi vibracije na frekvenciji prolaska kuglice ali kada je van zone opterećenja, veoma mala vibracija se stvara na toj frekvenciji. Ovo je račun modulacije amplitude ležaja i rezultujući bočni opsezi. Bočni opsezi koji su postavljeni na 1X oko tonova ležajeva su siguran znak pohabanih ležajeva. Ponekad, kada je rotor dosta van ravnotežnog položaja, defekt unutrašnjeg prstena ležaja neće proizvoditi modulaciju amplitude ili bočne opsege. Ovo je zbog toga što centrifugalna sila usled neravnoteže zadržava unutrašnji prsten na istoj lokaciji na periferiji sve vreme. Drugi primer bočnih opsega u spektru ležaja uključuje Fundamentalnu prateću frekvenciju (FPF). To je iznos na kome se zadržava rotacija kuglica u ležaju. Ukoliko je jedna kuglica pukla, ili još gore, rasprsla se u nekoliko komada, stvaraće se velika buka kada su ležajevi u zoni opterećenja, ali će biti tiho kada nisu u zoni opterećenja. Kretaće se u zoni i van nje na FPF zato što se kreću oko ležajeva. Ovo izaziva modulaciju amplitude tonova ležajeva na FPF iznosu, a rezultat su bočni opsezi oko tonova ležaja postavljeni odvojeno od FPF.

Slika 3.167. Tonovi ležaja

Konačan stepen pohabanosti ležaja se ponekad naziva »termalnim« stepenom, gde se ležajevi zagrevaju, otapa mazivo, dovodeći do katastrofalnih otkaza koji mogu uključivati topljenje kugličnih elemenata i/ili prstena. Ključ za efektivno prediktivno održavanje ležaja je trend nivoa tonova ležaja tokom vremena od njihovog početka. Ponekad oštećenje ležaja napreduje od veoma malog defekta do kompletnog otkaza u relativno kratkom vremenu, tako da rana detekcija zahteva osetljivost na veoma male komponente vibracija. Oni koji vrše analize moraju biti svesni da neki tipovi mašina pokazuje tonove vibracija u prosečnom spektru. Dijagnostika se radi na osnovu značajnih povećanja ovih prosečnih vrednosti. Bilo koji značajan ton treba pažljivo poslušati jer može biti znak oštećenja.

• Razdešeni kuglični elementi ležaja

Slika 3.168

170

• Labavost kugličnih elemenata ležaja Ekscesivni zazor na kugličnim elementima ležaja proizvodi harmonike na 1X, obično u intervalu od 2X do 8X. Ekstremna labavost proizvodi komponente reda veličine od jedne polovine, to jest, komponente koje se množe sa 0.5X. Labavost drugih delova mašine takođe proizvode harmonike od 1X i ponekad harmonike od 0.5X, tako da ovo nije konačan znak problema ležaja sa zazorom. Mehanička labavost

Slika 3.169. Karakterističan dijagram mehaničke labavosti

• Rotaciona labavost; Ne-rotaciona labavost

Labavost između mašine i njene osnove raste na komponenti vibracije od 1X u pravcu gde je najmanja krutost. Ovo je obično horizontalni pravac, koji zavisi od fizičkog projekta mašine. Niži red 1X harmonika je takođe uobičajen ukoliko je labavost ozbiljna. Teško je odvojiti labavost osnove od fleksibilnosti, naročito kod vertikalnih mašina. Ukoliko je 1X mnogo veći u tangencijalnom nego u radijalnom pravcu, labavost je može suspendovati. Ukoliko je 1X tangencijalni niži ili jednak 1X radijalnom, tada se neravnoteža suspenduje. Fleksibilnost osnove ili labavost može biti izazvana zavrtnjima, korozijom ili prskanjem postavljenog dela. Vibracije indukovane električnim putem

• Visokonaponski električni motori Postoje dva tipa visokonaponskih električnih motora: sinhroni motori i indukcioni motori, sa jednofaznom ili trofaznom strujom mogu biti snabdevena oba tipa. U industriji se više primenjuju trofazni motori, zbog njihove više iskorišćenosti u odnosu na jednofazne. Sinhroni motori manje preovlađuju u odnosu na indukcione motore, ali se koriste u nekim posebnim primenama koje zahtevaju apsolutno konstantnu brzinu, ili korekciju faktora snage. Indukcioni i sinhroni motori su slični u mnogim pogledima, ali se razlikuju u nekim detaljima.

Slika 3.170

171

• Sinhroni motori Interesantna karakteristika sinhronih motora je ta da je rotor »više nego pobuđen«, to jest, ako je magnetno polje veće od kritične snage, motor će se ponašati kao električni kapacitet povezan na snagu. Ovo se koristi za korekciju faktora snage u industrijskim postrojenjima gde se koristi ogroman broj indukcionih motora.

• Indukcioni motori Zbog toga što indukcioni motori pre rade na osnovu magnetnog odbijanja nego na osnovu magnetnog privlačenja kao što je slučaj sa asinhronim motorima, nazivaju ih »indukcionim motorima odbijanja«. Ukoliko nema trenja u sistemu, rotor će se okretati sinhronizovanom brzinom, ali će proizvoditi nekorisni obrtni moment. Pod ovim uslovom, neće biti kretanja koje se odnosi na rotor i rotirajuće polje statora i neće se indukovati struja u njima. Isto tako, ako se pojavi bilo kakvo opterećenje doći će do smanjenja brzine, izazivajući da šipke rotora seku linije magnetnog polja statora i stvarajući silu odbijanja u rotoru. Indukovano magnetno polje rotora se okreće okolo u pravcu rotacije i brzina ovog okretanja zavisi od primenjenog opterećenja. Ovo znači da je RPM uvek manji od sinhronizovane brzine. Razlika između aktuelne brzine i sinhonizovane brzine je nazvana »klizanjem«. Veće klizanje, veća indukovana struja u rotoru, i veći izlazni obrtni moment. Struja u namotajima statora takođe raste u nameri da poveća struju u rotoru. Iz ovog razloga, aktuelna brzina indukcionog motora je uvek zavisna od opterećenja.

• Izvori vibracija Dvostruka linijska frekvencija (100 Hz) je uvek merljiva za komponente vibracija na električnom motoru. Privlačenje između statora i rotora varira u iznosu, a gvožđe samo malo menja dimenzije u zavisnosti od prisustva promenljivog magnetnog polja usled njegovog dejstva.

• Vibracije koje se vezuju za klizanje Neregularnosti rotora izazivaju vibracije na frekvenciji klizanja puta broj polova motora. Na primer, na dvopolnom motoru, bilo koji rotor će biti regulisan rotirajućim magnetnim polom statora dva puta za svaku ciklus »klizanja«. Ciklus klizanja ima sinhronizovanu brzinu podeljenu brzinom klizanja. Na primer, motor na 3450 min-1, sinhronizovana brzina je 3600 min-1, a frekvencija klizanja je 3600 – 3450 = 150 min-1. Tada, 3600 podeljeno sa 150 daje 24, što je ciklus klizanja. Ovo znači da će za svaka 24 obrtaja rotora, ista šipka biti tačno na istom polaritetu rotirajućeg magnetnog pola i biće regulisana suprotnim rotirajućim polom na svakih 12 obrtaja. Ukoliko jedna šipka ima veći otpor od ostalih, usled pucanja ili lomljenja, imaće manju indukovanu struju kada se reguliše polovima, što će proizvoditi nešto malo manji obrtni moment, u ovoj tački ciklusa klizanja. Tako, obrtni moment se može modulirati frekvencijom klizanja puta dvostruki broj polova. Ova frekvencija se naziva frekvencijom prolaza pola. Prolazak pola se može videti na vibracionom spektru i takođe rezultira bočnim opsezima oko 1X vibracione komponente i oko komponente od 100 Hz.

• Frekvencija položaja prolaska Druga komponenta vibracija električnih motora je takozvana frekvencija položaja prolaska. Ova frekvencija predstavlja broj koji se dobije kad se položaj statora pomnoži sa RPM. Položaj statora sadrži provodljive namotaje i njihov konačan broj stvara neuniformnost, ili »uzupčavanje«

172

rotacionog magnetnog polja čije okretanje izaziva komponente vibracija. Frekvencija prolaska za rotor se ponekad naziva frekvencijom položaja prolaska i razlikuje se od iste frekvencije statora.

• Skraćeno lameliranje Rotor i stator motora se prave od tankih laminata koji su izolovani jedan od drugog. Ovo sprečava magnetnu indukciju struje na osnovu cirkulisanja gvožđa i izaziva zagrevanje. Ukoliko su laminati smešteni zajedno na istoj lokaciji, dolazi do lokalnog zagrevanja i termalnog iskrivljenja. Stvara se frekvencija viša od 100 Hz.

• Mehanički izvori vibracija motora Električni motori imaju iste mehaničke probleme kao i druge rotirajuće mašine, sa nekoliko dodataka, koji će biti apsolvirani u narednom tekstu. - Termalno povijanje rotora Neujednačeno zagrevanje rotora usled neizbalansiranog rotora izaziva iskrivljenost, ili povijanje i povijanje rotora rezultira uslovima neravnoteže sa svim uobičajenim simptomima. Može biti otkriveno na osnovu činjenice da iako je motor hladan, kad je prisutno kretanje dođe do ove anomalije. - Ekscentricitet vazdušnog otvora Ukoliko vazdušni otvor nije jednoobrazan, sile na rotoru neće biti u ravnoteži, rezultujući visokim magnetnim indukovanim vibracijama na 100 Hz. Magnetno privlačenje je obrnuto proporcionalno kvadratu rastojanja između rotora i statora, tako da mali ekscentritet izaziva relativno velike vibracije. - Labavost rotora Ponekad se rotor kliza po osovini, uvek naizmenično zaviseći od temeperature i izazivajući ozbiljne vibracije na 1X i harmonike. Iznenadne promene opterećenja ili napona mogu podstaći iste. - Ekscentricitet rotora Ako rotor nije okrugao, izaziva ekscitaciju na 1X i neuravnotežene magnetne sile koje dovode do vibracija na frekvenciji klizanja puta broj polova. Ova komponenta nestaje momentalno kada se snaga prekine i ovo je test potvrđivanja. - Labavost namotaja Ako su električni namotaji motora statora malo labavi, nivo vibracija će se povećati preko 100 Hz. Ovaj uslov je veoma destruktivan jer nagriza izolacioni materijal provodnika, dovodeći do kratkog okretanja i eventualnih kratkih krugova i otkaza statora. U nekim ogromnim mašinama kao što su generatori, labavi namotaji stvaraju harmonike reda jedne polovine na frekvenciji ekscitacije od 100 Hz. - Problemi šipki rotora Važan modul neispravnosti ogromnih električnih motora je prskanje i kao posledica zagrevanje i kvarenje šipki rotora, naročito kod motora za koje iskustvo pokazuje da su često pod opterećenjem. Početni uslov je najveći pritisak na šipkama rotora usled najviše struje kada je rotor pokrenut na najnižoj sinhronizovanoj brzini. Visoka struja izaziva zagrevanje i ekspanziju šipki koje se odnose na sami rotor, i razlike u električnom otporu pojedinačnih šipki rezultiraju neujednačenim zagrevanjem i

173

neujednačenom ekspanzijom. Ovo dovodi do pucanja spojeva na kojima su šipke zavarene na kraći prsten. Jednako kako se kvar razvija, otpor šipki raste, povećavajući zagrevanje i oštećenje usled prskanja. U isto vreme, na šipkama susednog rotora raste struja zbog smanjenja struje u polomljenim šipkama. Ovaj scenario rezultira lokalizovanjem toplote na rotoru, izazivajući iskrivljenost. - Monitoring šipki rotora preko analize struje u motoru Da bi se izmerila indukcija motora treba koristiti analizu frekvencije visoke rezolucije na ulaznoj struji motora. Prisustvo defekta šipki rotora izaziva obrtni moment motora koji se smanjuje neznatno svaki put kada pol rotirajućeg magnetnog polja prolazi kroz njega. Ovo se dešava dva puta kod frekvencije klizanja, jednako na severnom i južnom polu polja što izaziva prolaznu redukciju. Ova redukcija obrtnog momenta takođe dovodi do redukcije ulazne struje na motoru u istom iznosu – što je rezultat održanja energije. Ova periodična redukcija struje motora je u stvari modulacija amplitude struje motora. Iznos modulacije zavisi od ozbiljnosti problema šipki rotora. Dobar način za detekciju modulacije struje motora je obezbeđenje analize frekvencije struje i pregledanje bočnih opsega oko 50 Hz koji se javljaju dvaput na frekvenciji klizanja. Ovo se može sprovesti uz pomoć spone koja je smeštena oko faze kod ulazne linije i povezana sa analizatorom spektra. Na osnovu ovog testa, motor treba da radi pod opterećenjem, bez opterećenja, sa vrlo malim klizanjem, i sa različitim obrtnim momentom. Može se meriti samo jedna faza kod trofaznog motora. Analizator spektra mora biti u mogućnosti da kalibrira generisanje spektra visoke rezolucije od 0 do 70 Hz, ili na zum spektru od 40 do 60 Hz. Rezolucija frekvencije od 1600 linija je poželjna da bi se odvojili bočni opsezi klizanja 2X od drugih bočnih opsega izazvanih različitim opterećenjima. Visoka rezolucija i zum spektar su poželjni zbog toga što će bočni opsezi frekvencije klizanja biti veoma blizu frekvencije od 50 Hz. Na primer, za okretanje motora od 1760 min-1, frekvencija klizanja će biti 1800 – 1760 = 40 min-1, što odgovara 0.667 Hz. Bočni opsezi su spacionirani dva puta na ovoj frekvenciji, ili 1.334 Hz. Ukoliko su bočni opsezi 45 do 50 dB (1,000:1) ispod vrha od 50 Hz, šipke rotora se mogu smatrati dobrim, ali ukoliko raste do 40 dB (100:1) niže od 50 Hz, ukazivaće na oštećene šipke rotora. Moguće je kalibrirati sistem poput onog koji se odnosi na aktuelni broj otvorenih šipki nivoa bočnog opsega ukoliko je broj šipki rotora poznat.

Slika 3.171. Spektar iznad se odnosi na motor od 1760 min-1 sa problematičnim šipkama rotora

• Niskonaponski motori Unakaženi ili izbušeni segmenti komutatora ili okrznuti kontakti mogu izazvati prekomerne vibracije motora sa komutatorom. Frekvencija je na nivou frekvencije prolaza, gde se broj segmenata komutatora dobija kao broj segmenata puta RPM. Ukoliko je vrh na 360 Hz na spektru vibracija porastao značajno, verovatno će izazvati otvorena kružna polja na namotajima, gubitak električnih veza, ili loše funkcionisanje (zastoj).

174

Turbine Gasne i parne turbine su u suštini slične mehaničkim, sem što gasne turbine imaju dodatne komplikacije sa komorom za sagorevanje. Vibracije gasne turbine uglavnom imaju komponente vibracija širokog opsega izazvane bukom sagorevanja.

• Dijagnostika turbina Turbine često pokazuju snažnu komponentu takozvani iznos lopatica, što je u stvari broj lopatica turbine pomnožen sa RPM rotora. Veličina ove komponente zavisi od unutrašnje geometrije jedinice. Ukoliko se menja, kao što je na primer usled prskanja, savijanja ili stvaranja rupica na lopaticama, komponenta prolaza lopatica na spektru se menja, obično na gore. Ukoliko se lopatice turbine habaju jednako, frekvencija prolaza lopatica je jednako uniformna, ali ukoliko je deo rotora oštećen, kao što je slomljena lopatica, komponenta prolaza će biti modulirana RPM rotora ili broj prskalica turbine puta RPM i izazivati bočne opsege na spektru. Pumpe Postoji mnogo vrsta pumpi koje se koriste i njihove vibracije variraju u širokom opsegu. Kada se posmatraju vibracije pumpi, važno je da operativni uslovi budu uniformni od jednog merenja do drugog da bi se obezbedila konzistentnost. Pritisak usisavanja, pritisak pražnjenja i naročito indukcija vazduha i kavitacija utiču na izgled vibracija.

• Centrifugalne pumpe Sledeći spektar sadrži šumove visoke frekvencije širokog opsega, ukazujući na kavitaciju centrifugalne pumpe usled niskog ulaznog pritiska.

Slika 3.172. Šumovi visoke frekvencije širokog opsega - Kavitacija centrifugalne pumpe Kavitacija stvara spektar ovog tipa na svim mernim mestima pumpe i kućišta.

Slika 3.173

175

Kada pri strujanju tečnog maziva pritisak u tečnostima padne ispod pritiska pare tečnosti na radnoj temperaturi, u tečnosti se pojavljuju parni ili gasni mehurići. Pri prelasku tečnosti ponovo u oblast visokog pritiska dolazi do razbijanja – kolapsa mehurića. Kako se pri nastajanju parnih ili gasnih mehurova tečnosti (ne mehurovi vazduha rastvorenih u ulju) troši znatna energija, to se pri njihovom kolapsu ona oslobađa u obliku hidrauličnog talasa. Kolaps gasnih mehurića dolazi postupno, bez oštrih udara, i normalno ne oštećuje površine, njihova pojava može, eventualno, samo da smanji nosivost ležišta. Kolaps parnih kavitacija nastupa sa naglim i oštrim udarnim talasom lokalno koncentrisanim i visoke učestanosti, što dovodi do površinskog zamaranja materijala i oštećenja površine.

• Zupčaste pumpe Zupčanici se uglavnom koriste za pumpanje uljnih maziva i gotovo uvek imaju snažnu komponentu na frekvenciji uzupčenja zupčanika gde je broj zuba na zupčaniku puta RPM. Ova komponenta u mnogome zavisi od spoljašnjeg pritiska pumpe. Ukoliko se frekvencija uzupčenja značajno menja, kao što je iznenadna pojava harmonika ili bočnih opsega na spektru vibracija, može ukazivati na prskanje ili drugačije oštećenje zuba.

Slika 3.174. Tipični spektar zupčanika pumpe

Ventilatori Većina ventilatora je ili aksijalnog ili centrifugalnog tipa. Ventilatori, naročito oni koji se koriste za čestice ili gas, postavljeni su ležeći i neujdnačeno su pojačani. Ovo izaziva neravnotežu i može biti korigovano jednako brzo kako bude otkriveno. Ukoliko se bilo koja od lopatica deformiše, pukne ili slomi, frekvencija vibracija prolaza lopatice raste, a ako ima mnogo lopatica, ponekad se pojavljuju bočni opsezi na 1X u okolini frekvenciji prolaza.

• Aksijalni ventilatori

Slika 3.175. Aksijalni ventilator sa šest lopatica – spektar

176

• Centrifugalni ventilatori Opšti problem sa centrifugalnim ventilatorima je neujednačena raspodela brzine vazduha, što izaziva povećane nivoe vibracija pri prolazu lopatice. Ukoliko ventilator nije u ravnoteži i obešen je, desiće se visoke vibracije na 1X i u aksijalnom i u radijalnom pravcu. Defekti lopatica mogu takođe izazvati 1X bočne opsege u okolini frekvencije prolaza. Spojnice Postoji mnogo vrsta i konfiguracija spojnica i defekti na njima često izazivaju simptome koji su slični simptomima razdešenosti. Česti problemi sa spojnicama proizvode snažnije komponente vibracija od onih koje stvaraju razdešenosti. Ukoliko spojnice nisu prave, to jest imaju obode koji nisu paralelni, stvaraće se vibracije slične onima koje se stvaraju kod razdešenosti. Neravnoteža spojnica je takođe opšti problem i rezultira visokim radijalnim i tangencijalnim komponentama na 1 i 2X. Habanje spojnica proizvodi iste simptome kao kod razdešenosti i labavosti. Kaišni prenosnici Pogon traka je relativno jeftin tip transmisije snage, ali one imaju mnogo problema. Postoji mnogo tipova pogona traka i sve se habaju i oštećuju. Trake se moraju često pregledati zbog oštećenja i moraju biti propisno zategnute i čiste.

• Loše spojene, pohabane ili ispružene trake Loše spojene, pohabane ili ispružene trake, stvaraju vibracije na fundamentalnoj frekvenciji prolaza i odgovarajuće harmonike. Obično je drugi harmonik dominantan, ukoliko postoje dva kaišnika u sistemu. Fundamentalna frekvencija trake FFtr je data sledećom formulom. Uvek su sub-sinhronizovani, što znači da je frekvencija niža od 1X.

)RPM(LDFFtr π=

D = prečnik kaišnika, L = dužina trake, RPM = brzina okretanja kaišnika čiji je prečnik D.

• Ekscentrični kaišnici, kaišnici koji su dotrajali

Ekscentrični kaišnici stvaraju snažne 1X radijalne komponente, naročito u pravcu koji je paralelan sa trakom. Uslov je veoma uopšten, podražava ravnotežu. Uslov možemo proveriti pomeranjem trake i ponovnim merenjem. 1X vibracija ekscentričnog oblika ili oblika sa oštećenjem uvek pokaže drugi oblik.

Slika 3.176

177

• Razdešenost kaišnika Razdešenost kaišnika stvara snažne aksijalne komponente na 1X i aksijalne harmonike fundamentalne frekvencije trake.

Slika 3.177

• Rezonanca trake, ili pljesak trake

Slika 3.178

Reduktori Ukoliko reduktor ima više vratila, svaki par zupčanika će stvarati svoje sopstvene komponente uzupčavanja. Različiti tipovi zuba zupčanika stvaraju bitno različite nivoe vibracija. Poduprti ili najopterećeniji zupčanici su najbučniji, slede kosi zupčanici, helikoidni zupčanici, strelasti zupčanici itd. u opadajućem nizu po jačini vibracija. Takozvani Hunting zupčanici su set zupčanika koji su osnovni. Drugim rečima, oni nemaju opštih faktora. Ovo je najbolja konfiguracija za zupčanike, dok ijedan zub zupčanika ima kontakt sa ijednim zubom drugog zupčanika pre nego što naiđu na isti zub. Ovo važi za gotovo sve zube, povećavajući vek zupčanika. Frekvencija para zupčanika je frekvencija uzupčenja zupčanika podeljena sa najmanjim brojem zuba na dva zupčanika. Poslednji broj je često proizvod broja zuba. Na nekim zupčanicima, frekvencija zuba će se pojaviti na spektru vibracija, i ukoliko je tamo, pojaviće se u toku vremena zato što je rapidno habanje uvek rezultat ovakvih uslova. Novi zupčanik ponekad ima komponente spektra koji nije u vezi sa brojem zuba na svakom zupčaniku. Ove komponente se ponekad nazivaju komponetama prividne frekvencije i obično su rezultat neregularnosti prostora između zuba na jednom od zupčanika. Neregularnosti su rezultat

178

mašinskih grešaka koje su nastale prilikom pravljenja zupčanika. Prividne komponente generalno nestaju tokom vremena ukoliko nema mehaničke akcije da ih pojača.

• Oštećeni zubi zupčanika

Slika 3.179. 1X bočni opsezi u okolini frekvencije uzupčenja zupčanika

• Ekscentrični zupčanici i izvijene osovine Ekscentrični zupčanici stvaraju po jedan bočni opseg na svakoj strani uzupčenja zupčanika spacioniranih na RPM zupčanika, pre nego mnoštvo bočnih opsega na pojedinačnim oštećenim zubima.

• Planetni zupčanici Sistemi planetnih zupčanika su nešto kompleksniji od standardnog para usled činjenice da se centri planetnih zupčanika okreću okolo zupčanika sunca na frekvenciji nazvanoj frekvencijom pratnje. Zupčanik sunce ima RPM, planetni zupčanik ima RPM ili frekvenciju pratnje, a može stvoriti iz frekvencije uzupčenja zupčanika. Ovo proizvodi složene setove bočnih opsega na spektru, i može biti teško za interpretaciju.

Slika 3.180. 1X bočni opsezi u okolini frekvencije uzupčenja zupčanika Planetni zupčanici stvaraju karakteristične frekvencije koje se mogu računati na osnovu sledećih formula:

)NN(2N

RPMRPM

zupcanikaOdnosPS

S

S

C

+==

gde su RPMP=RPM planetnih

179

RC

P

sS

P

RCP

NRPMGMF

)NN

(RPM)NN(RPMRPM

=

==

RPMS= RPM sunca RPMC =RPM nosača N = broj zuba FMG = frekvencija uzupčenja zupčanika.

Defekti na prstenu zupčanika pokazuju broj planeta nosača RPM. Defekti na zupčaniku Sunce pokazuju broj planeta puta RPM Sunca minus RPM nosača. Centrifugalni kompresori Centrifugalni kompresori stvaraju spektar sličan spektru centrifugalnih ventilatora kada je frekvencija prolaza dominantna. Oštećene lopatice ili lopatice izložene eroziji izazivaju povećanje nivoa prolaza lopatica, i takođe proizvode 1X bočne opsege u okolini lopatice. Uzburkanje kompresora je problem dinamike fluida na portu izlaza kompresora koji obično izaziva vibracije na manje od 1X frekvencije. Često su izazvane neodgovarajućim spoljnim pritiskom.

Slika 3.181. Tipičan spektar vibracija za centrifugalni kompresor sa 6 lopatica

Klipne mašine Najpoznatiji tipovi klipnih mašina su klipne pumpe, kompresori, i mašine sa unutrašnjim sagorevanjem. Kod svih ovih mašina, klipni iznos (uvek 1X) je dominirajući, zajedno sa udarnim iznosom od 4 ciklusa motora. Nivoi vibracija visoki kao 125 VdB (0.1 inč po sekundi), nisu nepoznati za mašine poput ovih. Onaj koji analizira mora proceniti uslove mašine u poređenju sa prethnodnim nivoima ranije primenjenih apsolutnih referencnih nivoa. Mnoge klipne mašine imaju turbo punjače, i njihova dijagnoza se radi poput drugih rotirajućih turbina i kompresora. Problemi sa bregastom osovinom su takođe uobičajeni, i mogu se videti na osnovu frekvencije uzupčenja zupčanika. Ukoliko pogon ima torizione vibracije na osovini, može pasti, pri tome povećavajući vibracije do frekvencije prvog torzionog vibracionog moda kolenastog vratila. Ova frekvencija se dobija na osnovu markera pogona. Različita rastojanja klipnih pumpi su mnogo ravnomernija u odnosu na kompresore, i dobro se analiziraju putem vibracija. Ukoliko su harmonici klipnog iznosa prisutni u značajnom nivou, oni obično ukazuju na problem zglobnog spoja pogona klipa. Veoma jak zvuk fundamentalne frekvencije može ukazivati na pohabano mesto na uzdrmanoj ploči.

180

Dobijeni rezultati, svi napred navedeni, prezentuju se ne sledeće načine:

Vremenski domen Vremenski domen –– dan ili mesecdan ili mesecVremenski domen Vremenski domen ––sekund ili milisekundsekund ili milisekund

Frekventni domen Frekventni domen –– FFT spektarFFT spektarFrekventni domen Frekventni domen –– envelopa spektraenvelopa spektra

Slika 3.182 Spektralna analiza je izuzetno efikasno sredstvo pri dijagnostici stanja mašina i postrojenja. Na snimljenom frekventnom spektru vibracija za rotirajuću mašinu uočavaju se na pojedinim frekvencijama pojačane vibracije (pikovi) i analizom tih pikova i njihovim poređenjem sa frekvencijom rotirajućih delova mašine (osnovnom frekvencijom i celobrojnim ulošcima osnovne frekvencije) može se doći do stanja mašine odnosno postrojenja. Nisko frekventne komponente (pikovi) se javljaju kao posledica: sopstvenih frekvenci noseće konstrukcije, debalansa rotirajućih delova, nesaosnosti ili krivog vratila, nedovoljnog pričvršćenja za postolje, mehaničkih zazora, oštećenja spojnica, električno pobuđenih vibracija. Visoko frekventne komponente (pikovi) se javljaju kao posledica: lošeg i oštećenog ležaja, loših i oštećenih zupčastih prenosa.