Analiza drgań (ISO 10816/20816) — konserwacja predykcyjna łożysk silników i pomp

Przewodnik o kamerach termowizyjnych omawia jedną technikę konserwacji predykcyjnej dla połączeń elektrycznych. Maszyny wirujące — silniki, pompy, wentylatory — mają własną, dedykowaną technikę konserwacji predykcyjnej: analizę drgań, znormalizowaną w serii ISO 10816 / ISO 20816. Ten artykuł omawia, jak działają strefy oceny tej normy oraz dlaczego konkretny stan łożyska stojący za rosnącym odczytem drgań wymaga czegoś więcej niż tylko jednej liczby ogólnej.

Co jest faktycznie mierzone

Czujnik drgań (zwykle akcelerometr, montowany na lub w pobliżu obudowy łożyska) mierzy drgania mechaniczne, a dla ogólnej oceny stanu wg ISO 10816/20816 sygnał jest zwykle wyrażany jako skuteczna (RMS) prędkość drgań w mm/s, w zdefiniowanym paśmie częstotliwości (zwykle w przybliżeniu 10–1000 Hz). Prędkość jest stosowana zamiast surowego przyspieszenia lub przemieszczenia, ponieważ dobrze koreluje, w szerokim zakresie rozmiarów i prędkości maszyn, z obciążeniem mechanicznym istotnym z punktu widzenia zmęczenia materiału.

ISO 10816 → ISO 20816: ta sama koncepcja, przenumerowana norma

ISO 10816 (wytyczne ogólne plus części dotyczące konkretnych maszyn) jest stopniowo zastępowana od około 2016–2017 przez serię ISO 20816, bez zmiany podstawowej koncepcji: ogólna intensywność drgań jest oceniana względem granic stref, które zależą od klasy maszyny (ogólnie według mocy znamionowej i sztywności fundamentu), a nie jednej uniwersalnej liczby dla wszystkich maszyn.

Cztery strefy oceny

Uwaga: konkretne granice mm/s RMS między tymi strefami różnią się w zależności od klasy maszyny (małe maszyny, średnie maszyny na sztywnym fundamencie, duże maszyny, maszyny na elastycznym/miękkim fundamencie) — ten artykuł omawia koncepcję, a nie jedną liczbę do zastosowania na każdej maszynie; właściwa część normy ISO 20816 dotycząca konkretnej maszyny (lub własne limity producenta) podaje właściwą granicę dla konkretnej instalacji.

Poziom bezwzględny a trend: dlaczego pojedynczy odczyt nie wystarcza

Pojedynczy pomiar drgań, porównany wyłącznie z tabelą stref, mówi, gdzie maszyna znajduje się dzisiaj względem nowo uruchomionej maszyny — ale niewiele mówi o tym, jak szybko zmienia się jej stan. Ta sama praktyczna zasada stosowana przy trendzie prądu upływowego oraz ocenie delta-T w termowizji odnosi się równie dobrze do drgań: maszyna, która przez lata pracowała stabilnie w strefie B i nagle zaczyna wykazywać trend wzrostowy, jest silniejszym i wcześniejszym sygnałem ostrzegawczym niż samo przekroczenie granicy strefy B/C. Udokumentowany pomiar bazowy, wykonany krótko po uruchomieniu, gdy maszyna jest znana jako sprawna, sprawia, że późniejszy trend nabiera znaczenia.

Diagnozowanie przyczyny: charakterystyczne częstotliwości uszkodzeń łożysk

Ogólna wartość prędkości drgań sygnalizuje, że coś się zmieniło, ale niekoniecznie co. Analiza w dziedzinie częstotliwości (FFT) tego samego sygnału drgań pozwala rozróżnić fundamentalnie różne pierwotne przyczyny:

• 1× prędkość obrotowa — dominujący pik zwykle wskazuje na niewyważenie wirnika.
• 2× prędkość obrotowa — często wskazuje na niewspółosiowość (w połączeniu z 1×).
• Charakterystyczne częstotliwości uszkodzeń łożysk — ball-pass frequency outer race (BPFO), ball-pass frequency inner race (BPFI), ball spin frequency (BSF) oraz fundamental train frequency (FTF), każda obliczana na podstawie własnej geometrii łożyska i prędkości wału — pik na jednej z tych konkretnych częstotliwości wskazuje na defekt na tym konkretnym elemencie łożyska (bieżnia zewnętrzna, bieżnia wewnętrzna, element toczny lub koszyk), na długo zanim uszkodzenie stanie się wystarczająco duże, aby podnieść ogólny szerokopasmowy poziom drgań.

Związek z elektrycznym uszkodzeniem łożysk (inny mechanizm awarii)

Uszkodzenie łożyska nie zawsze ma pochodzenie mechaniczne. Przewodnik o prądach łożyskowych w falownikach omawia erozję elektryczną (EDM) bieżni łożysk spowodowaną napięciem współbieżnym z przemiennika częstotliwości — odrębny mechanizm awarii, wykrywany inną techniką (pomiar napięcia wału lub prądu łożyskowego, a nie analiza drgań). Zanim rowkowanie (fluting) związane z EDM stanie się wyraźnie widoczne w widmie drgań, elektryczna przyczyna pierwotna zwykle działa już od pewnego czasu; obie techniki są komplementarne, a nie wymienne.

Znaczenie praktyczne

Dla programu konserwacji predykcyjnej krytycznych urządzeń wirujących (pompy, wentylatory, silniki) pomiar bazowy drgań podczas uruchomienia, okresowy pomiar trendu względem własnego pomiaru bazowego maszyny oraz diagnoza oparta na FFT, gdy trend przekracza strefę C, dają znacznie wcześniejsze i bardziej konkretne ostrzeżenie niż oczekiwanie wyłącznie na alarm bezwzględnej wartości drgań — analogicznie do tego, jak trend delta-T w kontroli termowizyjnej daje wcześniejsze ostrzeżenie niż pojedynczy bezwzględny pomiar temperatury.

Typowe błędy

1. Ocena stanu na podstawie pojedynczego odczytu bezwzględnego bez pomiaru bazowego lub trendu — maszyna może już stopniowo się degradować, mimo że każdy pojedynczy pomiar nadal mieści się w strefie B.
2. Niekonsekwentne montowanie akcelerometru między pomiarami (podstawa magnetyczna pod innym kątem lub w innym miejscu, luźny kontakt) — zmienia to odpowiedź wysokoczęstotliwościową pomiaru i unieważnia porównanie trendu.
3. Stosowanie granic stref dla sztywno montowanej klasy maszyny do maszyny na elastycznym/miękkim fundamencie — właściwa granica dla tej klasy jest mierzalnie inna, a użycie niewłaściwej tabeli daje nieuzasadnioną akceptację lub nieuzasadniony alarm.
4. Mylenie drgań o częstotliwości 1×/2× prędkości obrotowej (niewyważenie, niewspółosiowość) z częstotliwością defektu specyficzną dla łożyska — wskazują one na zupełnie różne działania naprawcze (wyważanie/centrowanie versus wymiana łożyska), a błędna diagnoza prowadzi do niewłaściwej naprawy.

Powiązane

• Kamera termowizyjna — emisyjność i temperatura odbita
• Kryteria oceny delta-T w termowizji i pilność działań
• Trend prądu upływowego jako konserwacja predykcyjna
• Prądy łożyskowe w falownikach i łożyska izolowane elektrycznie
• Pomiar prądu rozruchowego silnika (locked-rotor current)