Technologie diagnostyczne w przemyśle – aktualizacja wybranych metod

 

Diagnostyka w przemyśle jest zagadnieniem bardzo szerokim. W praktyce zastosowanie znajduje wiele narzędzi, metod i przyrządów pozwalających na wykrywanie usterek. Od diagnostyki wymaga się przede wszystkim skuteczności, aby zapewnić bezpieczeństwo realizowanych procesów przemysłowych.

Dużym uznaniem cieszy się analiza drganiowa, termowizja oraz analiza chemiczna i fizykochemiczna środków smarnych. Niezależnie od przyjętej metody diagnostycznej ważne jest, aby prace wykonywać w oparciu o ściśle zaplanowane ścieżki kontrolne, czyli wcześniej ustalony przebieg działań.

Metody analizy drganiowej

Wykonując analizę drgań, mierzy się przede wszystkim przyspieszenie drgań, a także prędkość oraz przebiegi drgań czasowych i drgań wibracji. Za pomocą diagnostyki drganiowej określany jest czas, w jakim maszyna może być bezpiecznie eksploatowana. Kluczową rolę odgrywa ocena wartości skutecznej (RMS) prędkości drgań, co zapewnia określenie energii niszczącej. Wyniki badań można przedstawić w postaci widma drgań i jego analizy. Bazuje ono na przetworzeniu przebiegu czasowego wibracji w spektrum częstotliwości. Sygnał generowany przez maszynę jest dzielony na mniejsze elementy składowe. Wykorzystuje się przy tym znajomość budowy maszyny i jej wiodących parametrów ruchowych oraz możliwość przypisania poszczególnych elementów do odpowiedniej składowej widma drgań.

Norma ISO 10816 i ISO 7919 definiuje strefy oceny maszyny. W przypadku nowych maszyn, które są przekazane do eksploatacji, mowa jest o strefie A, określającej dobry stan maszyny. Oprócz tego maszyny mogą być zakwalifikowane do strefy B, co stanowi stan dopuszczalny i umożliwiający pracę bez ograniczeń. Maszyny zaliczone do strefy C to stan jeszcze dopuszczalny. Nie mogą one jednak pracować długotrwale do momentu podjęcia właściwych działań zapobiegawczych. Maszyny ze stanem niedopuszczalnym to strefa D.

Zapisy normy ISO10816 dzielą maszyny na 4 grupy, biorąc pod uwagę typ, moc znamionową lub wznios osi wału. Do grupy pierwszej zaliczane są maszyny, których moc znamionowa przekracza 300 kW, a osiągane prędkości wynoszą od 120 obr./min do 15 tys. obr/min. Konstrukcja takich maszyn bardzo często bazuje na łożyskach ślizgowych. Do grupy drugiej zalicza się maszyny o średniej mocy znamionowej (15–300 kW). Grupa trzecie to pompy, które mają wirniki wielołopatkowe i oddzielne napędy o mocy powyżej 15 kW. Zgodnie z normą ISO 10816 definiuje się grupę czwartą, czyli pompy z wirnikami wielołopatkowymi i napędem o konstrukcji wbudowanej. Pompy tego typu są urządzeniami odśrodkowymi z mieszanym przepływem i przepływem poosiowym o mocy przekraczającej 15 kW.

W praktyce diagnostyki drganiowej wykorzystuje się przynajmniej kilka metod wykrywania usterek. Odpowiednia technika badania i analizy jest dobierana pod kątem konkretnego urządzenia poddanego ścieżce diagnostycznej, np. w odniesieniu do łożyska bardzo często stosuje się okresowe lub ciągłe pomiary szerokopasmowych poziomów drgań. W szczególności analizowane są poziomy drgań w pasmach częstotliwości o dużej szerokości (2–10 kHz). Zmierzone poziomy drgań węzłów łożyskowych porównuje się z wartościami granicznymi. Miejsca wykonywania pomiarów tego typu to obudowy łożysk oraz tarcze łożyskowe. Ponadto jako punkty pomiarowe wykorzystywany jest korpus maszyn przy uwzględnieniu trzech wzajemnie prostopadłych kierunków – płaszczyzny prostopadłej do osi wału w kierunku poziomym i pionowym oraz wzdłuż osi wału na wysokości osi znajdującej możliwie najbliżej wału.

Podczas diagnostyki węzłów łożyskowych za pomocą wibrodiagnostyki istotną rolę odgrywa analiza częstotliwości drgań (tzw. analiza widmowa). Wykorzystuje ona rozkład sygnału drganiowego na składowe z różnymi częstotliwościami. Dzięki takiej analizie można zebrać informacje o elementach łożyska, w których wystąpiły usterki.

Przy analizie drgań węzłów łożyskowych niejednokrotnie wykorzystuje się pomiar współczynnika szczytu będącego stosunkiem wartości szczytowej sygnału drganiowego do jego wartości skutecznej z uwzględnieniem określonego przedziału częstotliwości drgań. W metodzie tej analizowane są zmiany współczynnika szczytu występujące podczas eksploatacji maszyny. W przypadku wzrostu współczynnika szczytu pogorszeniu ulega również stan łożyska. Ostatnia faza uszkodzenia łożyska może objawiać się jednak zmniejszeniem współczynnika szczytu.

Dużym uznaniem w diagnostyce węzłów łożyskowych cieszy się analiza obwiedni sygnału. W metodzie tej sygnał drganiowy pochodzący z czujnika jest poddawany wstępnej filtracji, po czym wyznacza się widmo powstałej obwiedni sygnału. Na widmo sygnału drganiowego składać się mogą elementy o częstotliwości odpowiadającej defektom określonych elementów łożyska.

Termowizja jako narzędzie diagnostyczne

Kamery termowizyjne stały się ważnym narzędziem diagnostycznym w mechanice. Przede wszystkim można oceniać stan techniczny mechanizmów odpowiedzialnych za przenoszenie napędu. Chodzi np. o analizę stanu zazębienia zębów przekładni otwartych, gdzie w oparciu o termogram można wykryć zwiększone siły nacisków lub nadmierne poślizgi w zębach zębnika i wieńcach w napędach zębatych.

Za pomocą termogramu szybkiej ocenie poddaje się sprzęgła i stan reduktora. Wszelkie miejsca o podwyższonej temperaturze mogą wskazywać na uszkodzenia łożysk, niewłaściwe smarowanie i uszkodzenie elementów sprzęgła. Termografia pozwala również wykryć brak osiowości wałów, które ze sobą współpracują.

Obserwując przekładnie pasowe w świetle podczerwonym, można wykryć nadmierne wydzielanie ciepła poprzez tarcie zbyt naprężonego pasa. Podwyższona temperatura przekładni niejednokrotnie jest efektem niewłaściwego chłodzenia.

Termowizja daje szerokie możliwości w diagnostyce węzłów łożyskowych, co wynika z szybkiego uzyskania wyników analizy, bezinwazyjności i możliwości przeprowadzenia diagnostyki w czasie normalnej pracy maszyny, np. w przypadku łożysk ślizgowych z prawidłowo pracującą panewką, odpowiednim filmem smarnym i przy normalnym obciążeniu będzie widoczny równomierny rozkład temperatur. Jeżeli na termogramie łożyska ślizgowego pojawi się nierównomierny rozkład ciepła, może oznaczać miejsca o podwyższonym tarciu. Dzięki termowizji wykrywa się również niedrożne kanały smarownicze, zużyte panewki i przekroczoną wartość obciążenia. Podczas analizy warto porównać badane łożysko z innym łożyskiem pracującym w maszynie.

Termowizja ma szerokie spektrum zastosowania w diagnostyce maszyn, urządzeń i instalacji elektrycznych. W zakresie transformatorów ocenie poddaje się przyrosty temperatury na powierzchni kadzi, a także śruby łączące kadź i pokrywę. Ważna jest również możliwość sprawdzenia poprawności pracy rdzenia, zwłaszcza w nowych transformatorach. Niejednokrotnie ocenia się zewnętrzne odłączniki, szczególnie pod kątem poprawnej pracy zacisków przyłączeniowych i sprężyn.

Termowizja jest przydatna podczas przeglądu bezpieczników w zakresie prawidłowego docisku styków oraz stanu zacisków przyłączeniowych. Sprawdzić można również zaciski mostka i uchwyty odciągowe. Kamery termowizyjne sprawdzą się przy pracach związanych z odbiorami powykonawczymi rozdzielnic. Wykrywane są bowiem niewłaściwie obrobione końcówki przewodów oraz niepoprawne podłączenia do zacisków.

Za pomocą kamer termowizyjnych diagnozuje się instalacje wytwarzania ciepła. Chodzi głównie o diagnostykę kotłów grzewczych oraz pieców stosowanych m.in. w hutnictwie. Przeprowadzenie ścieżki diagnostycznej takich urządzeń za pomocą tradycyjnych metod diagnostycznych bardzo często jest niemożliwe. Podczas prac wykorzystywane są okienka rewizyjne ze szklanymi otworami w obudowie pieca. Istotną rolę odgrywa ocena wymienników ciepła z uwzględnieniem na termogramach negatywnego wpływu zakłóceń w postaci spalin, popiołów i płomieni. Funkcje stosowane w nowoczesnych kamerach termowizyjnych są w stanie zminimalizować wpływ zakłóceń tego typu.

Analizy chemiczne i fizykochemiczne środków smarnych

Analiza chemiczna i fizykochemiczna środków smarnych pochodzących z pracujących maszyn stanowi narzędzie diagnostyczne o dużych możliwościach. Ocenie poddaje się wskaźnik cząstek AWC przy użyciu obrazu mikroskopowego wyizolowanych cząstek zanieczyszczeń, które są zawarte w oleju. Analizowane są przy tym właściwości fizyczne oleju – wielkość, liczba, rodzaj cząstek stałych zawartych w próbce.

Jednym z ważniejszych wskaźników mówiących o oleju, a co za tym idzie – stanie maszyny jest wygląd i barwa środka smarnego. Kluczową rolę odgrywa przy tym poziom zawartości wody. Jeżeli jest on zbyt wysoki, warto sprawdzić szczelność układu smarowania, natomiast obecność dodatkowych pierwiastków może oznaczać zużycie maszyny.

Podczas analizy środka smarnego ocenia się zawartość cząstek metalicznych przy zastosowaniu spektroskopii. W efekcie wykrywany jest nieprawidłowy wzrost cząstek metali, które zazwyczaj powstają w efekcie zużycia elementów maszyn lub zanieczyszczenia podzespołów. Analizując cząstki metaliczne, wykrywa się m.in. uszkodzenia łożysk ślizgowych i elementów mocujących również w zakresie przekładni pod kątem zużycia i tarcia.

Ważna jest ocena trendów wskaźnika lepkości. Jego diametralny spadek może oznacza

rozłożenie dodatków poprawiających parametry lepkościowo-temperaturowe. Lepkość bardzo często spada w efekcie pracy środka smarnego w zbyt wysokiej temperaturze.

Warto ocenić liczbę kwasową i zasadową, a także obecność zanieczyszczeń stałych, nierozpuszczalnych w oleju. Zanieczyszczenia są zawarte w czystym oleju lub mogą przedostawać się do układu z zewnątrz. Mogą to być np. nieczystości będące efektem korozji, współpracy elementów układu, chemicznego oddziaływania oleju czy starzenia tworzyw, które nie są metalami (np. uszczelki). Oprócz tego zanieczyszczenia to skutek starzenia i utleniania oleju, natomiast szlamy i osady powstają przy niestabilności niektórych dodatków uszlachetniających pod działaniem wysokiej temperatury.

Ważnym parametrem oleju jest lepkość kinematyczna w temperaturze 40°C i 100°C. Oprócz tego analizie poddaje się wskaźnik lepkości i zdolność do wydzielania powietrza. Bada się też skłonność do pienienia i zdolność do wydzielania wody – deemulgowalność.

Podczas prac związanych z diagnostyką cylindrów tłokowych bardzo często używa się spektroskopii umożliwiającej ocenę wżerów i zarysowań. Wykrywane są przy tym tarcia i zużycie w łożyskach poprzecznych.

Zawartość wody w oleju może być przyczyną hydrolitycznego rozkładu dodatków i rozwoju korozji w instalacji. Nadmierna ilość wody w środku smarnym przyczynia się do przyspieszenia zużycia kół zębatych łącznie z zatarciem przekładni.

Specjalne analizy są przeprowadzane w odniesieniu do określonych rodzajów olejów, np. może być wykonana analiza oleju sprężarkowego w zakresie takich parametrów, jak lepkość. Na środek smarny podczas pracy sprężarki wpływa wiele czynników, pogarszając chłodzenie i smarowanie. Analizuje się stopień utleniania, na który w dużej mierze wpływają metale z procesów zużycia, powietrze oraz podwyższona prędkość robocza i temperatura pracy. Ważna jest liczba kwasowa, której wzrost może wynikać z utleniania oraz zanieczyszczenia wodą lub produktami kwasowymi.

Należy pamiętać, że analizę oleju można wykonać bardzo szybko i niekoniecznie własnymi zasobami. Wyniki analizy próbki po przesłaniu do laboratorium mogą być przesłane elektronicznie, co pozwala na szybkie podjęcie odpowiednich działań.

Jak opracować ścieżkę kontroli w diagnostyce maszyn?

Ścieżki kontroli powinny być opracowane z myślą o konkretnej maszynie i określonej metodzie diagnostycznej, np. w przypadku wibrodiagnostyki w pierwszej kolejności należy ustalić zakres czynności przygotowawczych. Przede wszystkim obejmują one analizę techniczną urządzeń, a także przygotowanie odpowiedniej bazy komputerowej. Kluczowe miejsce zajmuje przystosowanie i przygotowanie właściwych urządzeń pomiarowych. Przed rozpoczęciem pomiarów analizuje się dokumentację techniczną badanej maszyny. Jeżeli diagnostyce poddaje się kilka urządzeń, trzeba podzielić je na grupy, uwzględniając typ i odpowiedzialność maszyny. Ważne jest, aby poszczególnym urządzeniom przypisać charakterystyki techniczne w oparciu o dokumentację i oględziny, np. w przypadku diagnostyki wykorzystującej analizę drgań trzeba zdefiniować zakres pomiaru (np. sumaryczny pomiar drgań łożysk, parametry stanu łożyska tocznego, współczynnik kawitacji, obroty, temperaturę itp.) oraz progowe wartości kwalifikujące stan techniczny urządzenia. Nie można zapomnieć o opracowaniu mapy punktów pomiarowych oraz wyznaczeniu optymalnych ścieżek diagnostycznych. Bardzo często tworzy się bazę komputerową zawierającą mapę urządzeń i punktów pomiarowych wraz z charakterystykami technicznymi obejmującymi m.in. obroty, oznaczenia katalogowe łożysk, liczby zębów przekładni, liczby łopatek pomp i wentylatorów itp.

Następny etap obejmuje przygotowanie urządzeń poprzez zapewnienie właściwych warunków pomiaru i ich powtarzalności w poszczególnych punktach. Etap ten ma zapewnić właściwe warunki pomiaru i ich powtarzalnoś

w poszczególnych punktach, wpływając na wiarygodność uzyskiwanych wyników pomiarów i ich analizowanie.

Wynikiem przeprowadzenia niemal każdej ścieżki diagnostycznej jest podjęcie działań korygujących. Dane wejściowe do ich zaprojektowania powinny określić stan urządzenia oraz przyczyny powstałych nieprawidłowości. W przypadku diagnostyki drganiowej uzyskuje się to poprzez rozszerzony pomiar oraz analizę drgań i wykonanie pomiarów dodatkowych w postaci kontroli: krzywizn wałów, bicia wirników, luzów, naciągów pokryw, szczelin dylatacyjnych łożysk tocznych, luzów między elementami stałymi i ruchomymi. Dodatkowo wykonuje się laserowo-optyczne centrowanie sprzęgieł. Warto pamiętać, że odpowiedni zestaw pomiarów jest dobierany w zależności od potrzeb konkretnej aplikacji. Przykładowe działania korygujące to poprawa naciągów pokryw łożyskowych, centrowanie sprzęgieł, wyważanie układów wirujących w łożyskach własnych, przesunięcie geometryczne elementów dla usunięcia przycierania, wymiana łożysk, montaż nowych wirników, konieczność wykonania generalnego remontu.

Prace związane z diagnostyką powinno kończyć sprawozdanie zawierające wszystkie wyniki pomiarów i analiz, a także opis podejmowanych działań korygujących. Warto podsumować efekty uzyskane dzięki diagnostyce, ocenić stan poszczególnych urządzeń wraz z odpowiednimi wnioskami i zaleceniami.

Podsumowanie

Podczas prac wykorzystujących diagnostykę drganiową mierzy się przede wszystkim przyspieszenie drgań, prędkość oraz przebiegi drgań czasowych i drgań wibracji. Diagnostyka drganiowa zapewnia informacje o możliwościach w zakresie bezpiecznej eksploatacji maszyn.

Oprócz tego popularnym narzędziem diagnostycznym jest termowizja. Wykorzystuje się ją chociażby przy wykrywaniu usterek w pracy podzespołów mechanicznych oraz instalacji, urządzeń i maszyn elektrycznych, np. podczas diagnostyki transformatorów analizie poddaje się przyrosty temperatury na powierzchni kadzi, a także śruby łączące kadź i pokrywę.

Ważne jest, aby ścieżki kontroli opracować pod kątem wykrywania usterek w konkretnej maszynie z uwzględnieniem wybranej metody diagnostycznej.

Janusz Kociemba

 

Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

Background Image

Header Color

:

Content Color

:

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług zgodnie z Polityką prywatności. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do cookie w Twojej przeglądarce lub w konfiguracji usługi. Polityka prywatności.