VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Katedra výrobních strojů a konstruování
Metody technické diagnostiky teorie a praxe Jan Blata | Janusz Juraszek
VŠB - Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Katedra výrobních strojů a konstruování
Metody technické diagnostiky teorie a praxe Jan Blata Janusz Juraszek
Publikace je vytvořena v rámci Operačního programu přeshraniční spolupráce 2007–2013 Česká republika – Polská republika. Odborným zaměřením projektu je Program profesní přípravy specialistů – lídrů transferu inovací a moderních technologií do firem na polsko-českém pohraničí č. PL.3.22/2.3.00/09.01517 a je spolufinancovaný z Evropské unie v rámci Evropského fondu pro regionální rozvoj
Ostrava 2013
Vydala: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava © Jan Blata, Janusz Juraszek ISBN 978-80-248-2997-5
Recenze: doc. Ing. František Helebrant, CSc.
1
ÚVOD
Použití metod technické diagnostiky a údržby jsou jednou z nezbytností pro včasnou identifikaci vznikajících poruch nebo pro zajištění bezpečného, ekonomického a ekologického provozu strojních zařízení. Úkolem metod technické diagnostiky je včasná identifikace vznikající závady, což umožní vysokou bezpečnost a spolehlivost strojních zařízení. Včasné odhalení vznikající závady umožní také naplánování a provedení opravy s dostatečným předstihem a také ve vhodném termínu. Aplikací technické diagnostiky a údržby je v první řadě dosahováno bezpečnosti provozu, resp. ochrana pracovníků před nenadálými vlivy poškození stroje a současně je dosahováno ekonomicko-ekologického provozu. Pro zajištění těchto úkolů je využíváno velké množství metod technické diagnostiky. Bohužel žádná metoda není stoprocentní nebo použitelná na všechny zařízení nebo za všech provozních podmínek, proto velmi často dochází ke kombinaci jednotlivých metod a tím ke zvýšení pravděpodobnosti včasné identifikace vznikající poruchy a tím zabránění ohrožení zdraví a života obsluhy, výpadkům výroby, primárním a druhotným škodám na zařízení.
1
2
HISTORICKÝ VÝVOJ DIAGNOSTIKY
V případě historického vývoje technické diagnostiky a údržby lze zahrnout veškerá počínání, které mají za následek odhalení vznikající poruchy nebo prodloužení životnosti nejrůznějších technických nástrojů. Mezi prvopočáteční metody můžeme zahrnout nejrůznější subjektivní smyslové způsoby, např. detekce poslechem, hmatem, zrakem apod., které byly používány od pradávna, až k moderním způsobům diagnostiky využívajících měřící a počítačové techniky. Slovo diagnóza má původ již v řečtině, kde DIA-GNOSIS znamená skrze poznání. Původně bylo využíváno pouze v lékařství, teprve později bylo použito také ve spojitosti s technickými aplikacemi. Proto si v technických oborech můžeme pod pojmem DIAGNÓZA představit, že se jedná o okamžitou analýzu technického stavu strojních zařízení, resp. vyhodnocení provozuschopnosti objektu. Nejdůležitějšími úkoly potom jsou: Detekce
zjištění přítomnosti vznikající poruchy
Lokalizace
určení místa, vadné části nebo uzlu vznikající poruchy
Specifikace
stanovení příčiny vznikající poruchy, důvod vzniku poruchy
Predikce
určení prognózy zbytkové životnosti pro naplánování vhodného termínu opravy a zajištění potřebných logistických úkonů
Současně s rozvojem diagnostiky a jejich nástrojů docházelo k rozvoji údržby. Provádění údržby můžeme rozčlenit do několika kategorií, (podrobněji viz lit.[1]). První způsob údržby je oprava po poruše – není použito žádných diagnostických nástrojů. Většinou je využívána pouze na nenáročné, levné strojní zařízení, které nezpůsobí při jeho poruše škody, zejména pak výpadek technologických celků, případně zastavení výrobní linky. Jejich cena je zpravidla nízká, případně je dostupná náhrada. Diagnostika těchto zařízení by nebyla finančně přínosná. Dalším způsobem údržby je metoda plánovaných preventivních oprav – řídí se předem stanoveným časovým cyklem, při kterém jsou provedeny předem naplánované údržbové práce. Časový interval je stanoven na základě zkušeností s podobnými nebo stejnými strojními zařízeními. K preventivní údržbě nebo opravě dojde na základě časových plánů, bez ohledu na aktuální stav, resp. opotřebení strojního zařízení, vše je řízeno pevným časovým harmonogramem. Další metodou je systém diferencované proporcionální péče – strojní zařízení jsou rozděleny do několika skupin podle různých vlastností a důležitosti, čímž je zajištěn rozdílný přístup k jednotlivým skupinám. Systém bere v úvahu důležitost daného zařízení a možnosti vlivu případného výpadku na provoz daného podniku.
2
Systém diagnostické údržby – je prvním systémem, který bere v úvahu skutečný technický stav strojních zařízení. Využívá metody technické diagnostiky pro objektivizaci skutečného technického stavu strojních zařízení. Stroje jsou pod systematickou kontrolou a k odstávkám dochází pouze v případě dosažení mezní životnosti. Systém prognostické údržby – tento systém plynule navazuje na předchozí systém a rozšiřuje jej o možnost predikce, kde dochází k predikci, resp. ke stanovení zbytkové životnosti strojních zařízení. Zbytková životnost je určována za pomocí tzv. trendové analýzy. Systém automatizované údržby – systém hojně využívá výpočetní techniku. Vzhledem k jeho náročnosti je použití výpočtové techniky podmínkou. Systém je zpravidla rozdělen do několika modulů, které obsahují celou řadu postupů. Poslední možností je systém totálně produktivní údržby (Total Productive Maintenance TPM) – je komplexní strategií, nástrojem, který umožňuje a podporuje zlepšování stavu zařízení za účelem maximalizace efektivity a kvality výroby. TPM je přístup k údržbě, který byl vyvinutý v Japonsku, umožňující firmám dosáhnout téměř 100% využitelnosti strojů a zařízení ve vztahu k potřebě. Účelem je totální efektivnost při využívání strojů a zařízení, vytvoření totálního systému údržby zahrnující preventivní a produktivní údržbu a totální účast všech pracovníků (nejen obsluhy a údržbářů). Principy TPM lze také rozdělit do následujících bodů: Maximalizace celkové účinnosti zařízení Odstranění zdrojů znečištění a obtížně přístupných míst Autonomní mazání strojů Výcvik a trénink pro kontrolu celého zařízení Samostatné provádění inspekce a údržby Řízení pracoviště s ohledem na celkovou efektivnost zařízení Další zlepšování pracoviště
3
3
ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ METOD TECHNICKÉ DIAGNOSTIKY Vibrodiagnostika Je jednou z nejpoužívanějších metod pro diagnostiku technického stavu strojních zařízení, je hojně používána především pro širokou možnost aplikace na
různorodých
strojních
zařízeních.
Pro
vyhodnocení stavu využívá vibrační signál, který je dále
zpracován
a
analyzován.
Pro
měření
a následnou analýzu vibračního signálu využíváme rychlost, zrychlení nebo výchylku vibrací.
Tribodiagnostika Tribodiagnostika
využívá
informací
obsažených
v mazivu strojních zařízení. Předmětem zájmu jsou dvě hlavní oblasti. V prvním případě dochází ke zjišťování
stavu
degradace
samotného
maziva,
v druhém případě se z maziva určuje celkové poškození,
resp.
technický
stav
provozovaného
zařízení.
Termodiagnostika Zabývá se měřením a analýzou teploty a teplotních obrazců, pro objektivizaci technického stavu zařízení, budov apod. Pro měření teploty lze využít celou řadu nejrůznějších druhů dotykových teploměrů, případně provádět bezdotykové měření za pomoci infračervených teploměrů nebo pro zhotovení teplotních obrazců lze použít termovizní kamery. S rozvojem termovizních kamer získávají termovizní měření stále širší uplatnění v nejrůznějších oblastech, např. ve strojírenském, automobilovém, stavebním, hutním a potravinářském průmyslu, ve zdravotnictví, u záchranných, policejních a vojenských složek a v řadě dalších oblastech a aplikacích.
4
Akustická diagnostika Určitá podobnost s vibrodiagnostikou, sleduje projevy závad strojních zařízení za pomoci vyhodnocení akustického signálu. Pojmem hluk je označován jakýkoliv nežádoucí
zvuk
ve
slyšitelném
frekvenčním pásmu od 20 Hz do 20 kHz. Pohybující se části stroje budí vibrace a tyto vibrace způsobují pohyb částic vzduchu a tím k šíření akustického signálu, který je dále měřen, analyzován a vyhodnocen. Často je sledováno také působení hluku na lidský organizmus, hlučnost zařízení, hygienicko-technické hledisko. Elektrodiagnostika Jedná
se
o
elektrických
technickou zařízení
za
nejrůznějších metod. Velmi využito
pro
identifikaci
diagnostku pomoci často
je
poruch
elektrického proudu, napětí, odporu apod. často se také pro odhalení elektrických závad využívají již zmíněné metody, např. pro odhalení přechodového odporu ve spoji termodiagnostika nebo pro odhalení nesymetrie elektromagnetického pole vibrodiagnostika apod.
5
Jiné metody a postupy Jedná se o řadu metod a postupů pro objektivizaci technického stavu strojních zařízení, tak i pro prodloužení jejich životnosti. Mezi tyto metody lze zahrnout údržbu strojních zařízení, vyvažování, ustavování, mazání, nedestruktivní zkoušení, provozní tvary kmitů, rezonance atd. Pro objektivizaci technického stavu strojních zařízení můžeme použít rozličných diagnostických metod. Tyto metody můžou dávat bohužel i rozdílné výsledky. Pro různé strojní zařízení a různé provozní podmínky nelze použít některé metody nebo jejich výsledky můžou být často zkreslené nebo zavádějící. Pro získání odpovídajících výsledků je vhodné kombinovat jednotlivé metody, čímž se podstatně zpřesní identifikace technického stavu strojních zařízení. V případě kombinací jednotlivých metod potom hovoříme o tzv. multiparametrické diagnostice. Na obrázku (obr. 3-1) je znázorněn trend průběhu opotřebení, tzv. vanová křivka, na které můžeme pozorovat postupný průběh opotřebení v průběhu času. V první oblasti – oblasti záběhu dochází na začátku provozu k výraznému opotřebení, což je způsobeno vzájemným záběhem a slícováním jednotlivých součástí zařízení. Toto opotřebení se postupně snižuje s postupným záběhem součástí, až se ustálí na běžném provozním opotřebení – oblast běžného provozu. Při dosažení poslední fáze – oblast doběhu dochází opětovně k postupnému zvyšování opotřebení až k prudkému nárůstu. Tato oblast je charakterizována procesy stárnutí, projevuje se výraznou degradací materiálu a intenzita poruch výrazně narůstá. Pokud nedojde zavčasu k odhalení rozvíjející se poruchy a nedojde včas k odstavení zařízení, dojde ke vzniku havárie celého zařízení, s čímž souvisí řada negativních faktorů (bezpečnost, ekonomičnost provozu apod.). Vanovou křivku s jejími oblastmi můžeme mimo tribologii s průběhem opotřebení sledovat také v jiných oblastech, např. obdobný vývoj můžeme sledovat ve vibrodiagnostice, kde je sledován průběh vibrací, v termodiagnostice, kde je obdobný průběh teploty, v akustice, kde podobným způsobem kopíruje vanovou křivku akustický signál apod. Pro objektivizaci technického stavu můžeme využít různé metody technické diagnostiky, například vibrodiagnostiku, která dokáže dle použité metody odhalit teprve vznikající poškození (obr. 3-2) nebo dokonce poškození ještě před jeho projevem na povrchu materiálu, resp. již při vzniku pod povrchem, kdy dochází ke spojování mikrotrhlin. Toto vznikající poškození vydává vysokofrekvenční signál, který je možné zachytit při aplikaci vhodných metod diagnostiky. V případě vibrodiagnostiky lze použít řadu vibrodiagnostických metod, např. vysokofrekvenční metody např. metoda SEE (Spectral Emitted Energy) nebo HF (High Frequency Emision) a řada dalších. Tyto metody dokážou velmi brzy upozornit na vznik poškození nebo na problémy s mazáním, čistotou maziva apod.
6
Obr. 3-1 Vanová křivka průběhu opotřebení
Obr. 3-2 Doběh - konečná fáze vanové křivky, možnosti identifikace
7
4
VIBRODIAGNOSTIKA
Každé zařízení pracující na principu rotačního, posuvného nebo jiného pohybu, produkuje při svém provozu vibrace. Velikost a projev těchto vibrací souvisí s pracovními podmínkami strojních zařízení a také s jeho technickým stavem, proto je možné určovat technický stav těchto zařízení při sledování vibrací. Účelem sledování vibrací rotujících strojních zařízení je určení jejich technického stavu, resp. odhalení vznikající závady ještě v jejich počátku, což umožní zabezpečení strategického plánování a řízení údržby, resp. umožní včasné naplánování vhodné odstávky zařízení, zajištění náhradních dílů a řadu dalších logistických úkonů. Nadměrné vibrace mají výrazný vliv na dynamické namáhání stroje a tím na výrazné zkrácení životnosti těchto zařízení. Vibrace stroje mají také původ v některých provozních parametrech jako je nevyváženost, nesouosost, málo tuhá konstrukce, praskliny v konstrukci, uvolnění, rezonance konstrukce apod. 4.1
Základní vztahy
Obr. 4-1: Harmonického kmitání se znázorněním maximální amplitudy, střední kvadratické a absolutní hodnoty [1]
Okamžitá výchylka:
t x X max sin 2π X max sin 2π f t X max sin ωt T
[mm]
(4-1)
Pro úpravu vzorce bylo použito:
1 T
…
frekvence kmitání
[Hz]
(4-2)
ω 2π f
…
úhlová rychlost
[rad·s-1]
(4-3)
X max
…
maximální výchylka – amplituda výchylky
f
8
Rychlost: v
dx ω X max cos ωt Vmax cos ωt Vmax sin ωt dt
π 2
[mm·s-1]
(4-4)
[mm·s-2]
(4-5)
[mm]
(4-6)
[mm]
(4-7)
[mm]
(4-8)
Vmax … maximální rychlost, maximální amplituda rychlosti Zrychlení: a
dv d 2 x ω 2 X max sinωt A max sinωt A max sinωt π dt dt 2
A max … maximální zrychlení, maximální amplituda zrychlení
Střední absolutní hodnota výchylky: T
X ave
1 x dt T 0
Střední kvadratická hodnota výchylky (Efektivní hodnota - RMS): T
X RMS
1 x 2 dt T 0
Pro harmonický pohyb platí:
X RMS
π 1 X ave X max 0,707 X max 2 2 2
Efektivní hodnota - RMS (root mean square value) hodnota je významná tím, že obsahuje informaci o výkonu kmitání. Tato hodnota vznikla původně v elektrotechnice jako porovnání mezi výkonem stejnosměrného a střídavého proudu. Některé výrazy často používané při měření vibrací: Špička (peak) - vzdálenost mezi vrcholem amplitudy (Xmax) a nulovou úrovní signálu. Špička – špička (peak - to - peak) - vzdálenost mezi nejnižším a nejvyšším vrcholem vlny (2· Xmax). Průměrná hodnota (Average) - vzhledem k neideálnímu sinusovému průběhu je průměrná hodnota nenulová (nebo také střední absolutní hodnota) (0,637 · Xmax). Celkové vibrace (Overall) - číslo reprezentující množství energie obsažené v pásmu mezi dvěma frekvencemi.
9
4.2
Základní veličiny
Ve vibrodiagnostice jsou měřeny a následně vyhodnocovány dle nejrůznějších metod tři základní veličiny: rychlost, zrychlení a výchylka vibrací. Rychlost vibrací se využívá pro identifikaci poruch projevujících se v nízkých nebo středních frekvencích, velmi často se sleduje rychlost vibrací ve frekvenčním pásmu 10 - 1000 Hz. V tomto pásmu se velmi často projevuje nevývaha, nesouosost, uvolnění a řada dalších. Pro základní provozní vyhodnocení mohutnosti rychlosti vibrací soustrojí slouží např. norma ČSN ISO 10816, viz obr. 5-2. Sledování zrychlení vibrací je důležité pro včasnou identifikaci poruch projevujících se ve vysokých frekvencích, zpravidla v jednotkách až desítkách kHz, kde se projevují počáteční projevy závady ložisek, převodů, mazání apod. V případě zrychlení se můžeme velmi často setkat mimo jednotky mm/s2 také s jednotkou g nebo G, kdy se jedná o veličinu odvozenou ze soustavy SI a vycházející z gravitačního zrychlení, kde g = 9,81 m/s2. Poslední veličinou je výchylka vibrací (µm), tato veličina má úzký rozsah použití, velmi často se ale využívá pro monitorování technického stavu turbín, za pomoci snímání vibračního signálu z bezdotykových sond pracujících na principu vířivých proudů. Na obr. 4-2 je znázorněn fázový vztah, rozdíl mezi jednotlivými veličinami, je třeba si uvědomit, že výchylka a zrychlení jsou vzájemně v proti fázi a rychlost je vůči těmto veličinám posunuta o 90°. Na následujícím grafu (obr. 4-3) je zobrazeno rozdělení signálu do několika kategorií. V případě signálu se jedná o časovou funkci, která dle určitých zákonitostí má určitý vztah k opakovatelnosti signálu, případně se jedná pouze o náhodný signál. V jednoduchosti lze popsat rozdělení signálů následovně [1]: Deterministický signál – jeho průběh lze předvídat, resp. je možné jej jistými způsoby popsat nebo definovat (např. matematickým způsobem). Stochastický signál – jedná se o náhodný signál, průběh signálu se nedá předvídat. Přechodový signál – signál, který je časově omezen, obvykle krátkého trvání, např. impuls při rázové zkoušce, impuls od valivého elementu při přechodu vady. Periodický signál – je tvořen harmonickými signály o frekvencích, které jsou násobkem základní frekvence (harmonické – celé násobky a subharmonické – částečné násobky). Má široké uplatnění např. ve vibrodiagnostice, kde dochází k rozkladu a analyzování signálu. Kvasiperiodický signál – signál je také složený z harmonických signálů s frekvencemi, které jsou násobky alespoň dvou základních frekvencí se vzájemným poměrem o velikosti, která je rovna iracionálnímu číslu. Stacionární a nestacionární signál – průběh signálu je ustálený charakter, potom hovoříme o stacionárním signálu nebo se signál v čase mění, je nestacionární. Kritérium stacionárnosti ovšem závisí na délce záznamu signálu – průběh signálu se může jevit jako stacionární za dlouhý časový úsek a nestacionární za krátký časový úsek.
10
zrychlení
1
rychlost
výchylka
0,8 0,6 0,4 0,2 0 0°
45°
90°
135°
180°
225°
270°
-0,2 -0,4
-0,6 -0,8 -1
Obr. 4-2 Fázové porovnání zrychlení, rychlosti a výchylky
Obr. 4-3 Diagram rozdělení signálu
11
315°
360°
4.3
Snímače vibrací
Mechanické kmitání je proměnný děj, při kterém vykonávají hmotné body vratný pohyb kolem klidové polohy. Pro sledování mechanického kmitání, resp. vibrací a její převod na elektrickou veličinu, která se dále zesiluje a zpracovává, slouží snímače vibrací. Pro rozdílné podmínky a aplikace jsou vytvořeny různé druhy snímačů vibrací, které se můžou lišit např. rozsahem frekvence, rezonančními vlastnostmi, dynamickým rozsahem, přesností, hmotností, citlivostí, cenou apod. Pro základní rozdělení snímačů je možné uvést dva základní druhy: Seismická zařízení, která se normálně připevňují na konstrukci stroje a jejichž výstup je mírou absolutních vibrací konstrukce. Snímače relativní výchylky, které měří relativní vibrační výchylku mezi rotujícími a nerotujícími díly strojního zařízení.
Další rozdělení můžeme provést pomocí měřené veličiny, tj. zrychlení, rychlost, výchylka. Snímače výchylky vibrací, měří změnu vzdálenosti nebo polohy vůči referenční poloze. První typy byly konstrukčně velmi jednoduché, kde se výchylka zařízení zaznamenává za pomoci mechanického pákového mechanismu (obr. 4-4). Tyto snímače se v současnosti prakticky nevyskytují, ovšem měření výchylky vibrací je stále využíváno, např. za pomoci bezdotykové sondy, které převážně pracují na principu vířivých proudů. Výstup této sondy je přímo úměrný relativní výchylce vibrací mezi rotujícími a nerotujícími díly stroje, zpravidla mezi hřídelí a domkem stroje. Zde dochází ke snímání relativní výchylky stroje za pomoci dvou sond vzájemně posunutých o 90° (viz obr. 4-5), resp. ke snímání vzdálenosti mezi dvěma díly stroje. V případě sondy pracující na principu vířivých proudů, prochází cívkou generovaný vysokofrekvenční střídavý proud, který generuje vysokofrekvenční magnetické pole. Je-li v tomto magnetickém poli vložen elektricky vodivý materiál (hřídel rotoru), jsou v materiálu generovány vířivé proudy, které jsou nadále snímány a dále zpracovávány. Tyto snímače jsou velmi často použity u velkých turbosoustrojí, kde se velmi často využívá orbitální analýzy pro vyhodnocení technického stavu těchto turbín. Pro vytvoření orbity je využito sloučení obou signálů ze sond. Praktické znázornění pohybu hřídele a s tím i související orbitální analýza je zobrazena na obr. 4-6, kde lze pozorovat tvar orbity v různých místech na hřídeli. Dle výsledného tvaru orbity lze potom odhalit některé druhy poruch. Pro měření výchylky je velmi často použito také jiných snímačů, např. akcelerometrů a velometrů a posléze je ze změřené veličiny (rychlost, zrychlení) proveden následný matematický přepočet (integrace) na výchylku.
12
Obr. 4-4 Mechanický pákový snímač výchylky [9]
Obr. 4-5 Umístění snímačů na principu vířivých proudů pro měření relativního pohybu hřídele [1]
13
Obr. 4-6 Znázornění orbitální analýzy na rotoru turbokompresoru [1]
Obr. 4-7 Bezdotyková sonda na principu vířivých proudů [3]
Snímače rychlosti vibrací jsou založeny na principu indukce napětí při změně magnetického pole. Indukované napětí je závislé na rychlosti změny magnetického pole. Snímač rychlosti je také seismické zařízení, které generuje napěťový signál úměrný mechanické vibrační rychlosti tělesa. Snímač rychlosti se skládá z cívky, ve které se díky pohybujícímu magnetu indukuje elektrické napětí. Nevýhodou těchto snímačů jsou větší rozměry, hmotnost, vyšší cena a také omezení horního kmitočtu, řádově do 2 až 3 kHz. Nejpoužívanějšími snímači vibrací jsou akcelerometry, měřenou veličinou je zrychlení, které se dle potřeby může početně převést na rychlost nebo výchylku vibrací. Akcelerometry jsou v podstatě seismické zařízení, které vyhodnocují absolutní vibrace měřeného zařízení. Velkého rozšíření dosáhly akcelerometry díky své jednoduché konstrukci a nižší ceně. V akcelerometrech je využit tzv. piezoelektrický jev, tzn. že na stěnách piezoelektrického krystalu (jednoho nebo více) se při působení 14
síly na krystal vytváří na stěnách elektrický náboj, který se dále měří a vyhodnocuje. Protože je elektrický náboj úměrný síle a hmota snímače je konstantní, je tedy elektrický náboj úměrný zrychlení - akceleraci. Frekvenční rozsah a charakteristika akcelerometrů závisí na seismické hmotnosti použitého závaží působícího na krystal. Při zvyšování seismické hmotnosti se zmenšuje frekvenční rozsah (maximální frekvence), ale zvětšuje se citlivost snímače. Současně se zvyšováním hmotnosti dochází ke zvětšování rozměrů a také vzrůstá hmotnost celého snímače. Dle směru působící síly můžeme rozdělit akcelerometry na tlakový, smykový a ohybový.
Obr. 4-8 Indukční snímač rychlosti [9]
Obr. 4-9 Tlakový akcelerometr [1]
15
Obr. 4-10: Smykový akcelerometr [1]
Obr. 4-11 Řez smykovým akcelerometrem
Příklady praktického využití snímačů:
Měření vibrací – především v technické diagnostice pro identifikaci technického stavu strojních zařízení. Automobilový průmysl – aktivace airbagů, systémy jízdní stability. 16
Měření a detekce seismické aktivity. Měření zrychlení (akcelerace), pohybu a rychlosti. Měření odstředivé síly. Měření náklonu apod.
Některé vlastnosti důležité pro volbu akcelerometrů: Dynamický rozsah - je to ± maximální amplituda, kterou lze změřit, než se snímač poškodí. Je uváděn v násobcích g (gravitační zrychlení 9,81 m·s-2). Frekvenční odezva - je určena hmotností snímače, piezoelektrickými vlastnostmi krystalu a rezonanční frekvencí krytu snímače. Je to frekvenční rozsah, v němž výstupní hodnota signálu akcelerometru má dovolenou odchylku ±5%. Horní frekvenční limit - je to frekvence, kdy výstupní signál překročí dovolenou odchylku. Souvisí to vždy s mechanickou rezonancí daného snímače. Dolní prahová frekvence - je to frekvence, při níž výstupní signál začíná klesat nebo jeho přesnost překračuje dovolenou mez. Není to zcela nulový signál, avšak citlivost velmi rychle s nižší frekvencí klesá. Rušení - elektronické rušení je generováno v obvodech zesilovače. Toto frekvenční rušení může být buď širokopásmové nebo spektrální. Úrovně šumu jsou specifikovány v "g" např.: 0,0025 g; 2 – 25000 Hz. Šum obvykle klesá s frekvencí a rušení na nízkých frekvencích tak bývá větším problémem než na frekvencích vysokých. Rezonanční frekvence - je to frekvence, na níž dochází k rezonanci snímače. Výsledkem je podstatné zkreslení měření. Frekvenční měření se snímači zrychlení se provádějí pod touto rezonanční frekvencí. Citlivost - je to výstupní napětí snímače při měření určité síly vyjádřené v "g". Akcelerometry se převážně vyrábějí s citlivostí 10 mV/g nebo 100 mV/g. Frekvence střídavého výstupního napětí odpovídá frekvenci vibrací. Výstupní úroveň napětí odpovídá amplitudě vibrací. Akcelerometry s nízkou úrovní výstupu se používají k měření vyšších úrovní vibrací, zatímco akcelerometry s vysokou úrovní výstupu jsou používány k měření nízkých úrovní vibrací. Teplotní vliv (citlivost na teplotu) - je to výstupní napětí na stupeň Celsia měřené teploty. Snímače jsou teplotně kompenzovány s cílem udržení změn výstupního signálu v daných limitech v daném rozsahu teploty.
17
Teplotní rozsah - je to teplotní rozsah, ve kterém je snímač schopen pracovat, aniž by hrozilo poškození snímače. Typický rozsah je -50 až 120 °C. Pro výběr snímače zrychlení je důležité brát ohled také na další otázky: -
Jaká je amplituda a frekvence měřených vibrací? Jaký je rozsah teploty dané instalace a jaké je okolí? Jaká je velikost a tvar (vibračního, frekvenčního) signálu, který se má měřit? Je v dané oblasti vysoká úroveň elektrického, elektromagnetického rušení? Je povrch, kde má být umístěn snímač, uzemněn? Je třeba použití přístrojů pro nevýbušné prostředí?
Poznámky k předcházejícímu: Hmotnost akcelerometrů by měla být mnohem menší než hmotnost monitorovaného objektu řádově min. 10 x menší. Dynamický rozsah akcelerometru má být větší než je předpokládaný rozsah amplitudy. Frekvenční rozsah akcelerometru má odpovídat předpokládanému rozsahu frekvence, popř. je volen dle zařízení nebo dle potřeby sledovat určité děje (projevy závad, vysokofrekvenční metody atd.). Citlivost akcelerometru by měla být dostatečná, aby výstupní signál byl kompatibilní s navazujícími měřícími a vyhodnocovacími přístroji a metodami. Pro měření vibrací s vysokou amplitudou se použije snímač s nízkou citlivostí a naopak snímač s vysokou citlivostí použijte k měření vibrací s malou amplitudou.
Obr. 4-12 Příklad rozličných druhů snímačů vibrací
18
4.4
Umisťování snímačů, provozní pokyny
Aby provedená měření nepřinášela zkreslené nebo zavádějící hodnoty, je třeba respektovat některé provozní zásady, které v případě jejich nerespektování způsobí zkreslení změřených hodnot. Při provádění následného vyhodnocení, na základě chybných nebo zkreslených dat, se můžeme dopustit špatného provedení analýzy technického stavu a to může mít ve výsledku katastrofální následky, proto je třeba mít na paměti některé následující zásady. Pro získání odpovídajících dat je při měření důležité nejen použití vhodných snímačů a veškerého měřícího zařízení, ale také způsob umísťování těchto snímačů. Jedním z nejdůležitějších je volba správného měřícího místa pro měření, respektive místa pro umístění snímače. Poloha snímače musí být volena vhodně s ohledem na šíření signálu z ložisek, tzn. snímač musí být umístěn co nejblíže měřenému místu, protože při jeho šíření dochází se zvětšující se vzdáleností k jeho útlumu. Snímač neumisťujeme na přechodech mezi materiály, ale měříme přímo na konstrukční části, která je přímo v kontaktu s ložiskem. Proto je velmi často důležité znát konstrukční uspořádání celého stroje, abychom snímač neumístili do jiné konstrukční části, která není s přímým spojením s ložiskem a kde dochází k útlumu nebo zkreslení vibračního signálu vlivem přechodů mezi jednotlivými materiály. Znalost konstrukce celého stroje je důležitá i pro následující vyhodnocení a hledání závady, resp. pokud chceme stanovit patřičnou diagnózu, tak musíme vědět, jaké konstrukční části se u daného stroje vyskytují a jaký je jejich standardní poruchový projev. Měření je třeba provádět v pravidelných intervalech, vždy na stejných místech, aby bylo možné správné porovnání s předchozími měřeními. Měření je také nutné provádět za stejných podmínek, jako tomu bylo při předchozích měřeních. Mezi tyto podmínky lze zahrnout především otáčky stroje, jeho zatížení apod. Snímač není také vhodné umisťovat na znečištěné, popř. silně lakované nebo barvené povrchy. Dbáme na čistotu dosedací plochy snímače, protože každá nečistota nebo materiál vyskytující se mezi snímačem a vlastním materiálem strojních zařízení může vést ke zkreslení nebo útlumu signálu. Např. u magnetického přichycení snímače se můžeme setkat poměrně často se zmagnetováním volných ocelových pilin z okolí a následnému přichycení ke spodní straně snímače, což má potom výrazný vliv na zkreslení měření. Snímače umisťujeme a měření provádíme obvykle v každém měřícím bodě v horizontálním, vertikálním a axiálním směru (viz obr. 4-13). Měření v těchto směrech je důležité pro správné vyhodnocení a identifikaci jednotlivých poruch. Na obr. 4-13 je znázorněno umísťování snímačů ve všech třech směrech, tj. vertikálním, horizontálním a axiálním směru. Můžeme zde také pozorovat směr, který je pod úhlem 45°. Tento směr se používá pouze pro orientační pochůzku, kdy dochází k měření jen jednoho směru a provedené měření nemůže dosáhnout kvality měření se třemi směry v jednom měřícím místě (vertikálním, horizontální a axiálním směru). Na obrázku chybí v prvním měřícím místě L1 axiální směr, je to z důvodu většinou nestandardního umísťování snímače, protože u elektromotorů bývá zadní část motoru zakrytována. Měření na krytu v žádném případě nedoporučuji, jako relativně vhodné se jeví umístění snímače v axiálním směru na patku elektromotoru. Při měření se můžeme velmi 19
často setkat s nejvýraznějšími vibracemi v horizontálním směru. Velmi často jsou tyto horizontální vibrace umocněny konstrukčním provedením strojního zařízení, protože v tomto směru bývá konstrukce většinou poddajnější. Při umisťování snímačů musíme také dbát na bezpečnost při měření. Snímače umisťujeme v dostatečné vzdálenosti od rotujících součástí, umísťujeme na vhodných, dostupných a bezpečných místech. Při umisťování snímače do měřícího bodu pokládáme snímač nejprve šikmo, tak abychom s ním zbytečně neklepli, aby nedošlo k poškození snímače, teprve poté položíme snímač celou plochou na měřenou plochu. Mimo jiné je měření, resp. frekvenční rozsah měření ovlivněn způsobem připevnění snímačů. V následující tabulce (tabulka 1) je uvedeno omezení horní hranice frekvence při měření vibrací za použití jednotlivých způsobů uchycení. Je třeba si uvědomit, že každé uchycení snímače má své omezení a podle zvoleného způsobu uchycení pak musíme brát ohled na rozsah frekvenčního spektra, které budeme vyhodnocovat. Například měření za pomoci ruční sondy je omezeno již při dosažení 1 kHz. Omezení je dáno vlastní hmotou ruky (svaly, kůže atd.), které mají nízkou rezonanční frekvenci, proto nelze dosáhnout vyšších rezonančních frekvencí za pomoci tohoto způsobu měření. Obdobné je to i v ostatních případech.
Obr. 4-13 Možnosti umístění snímačů na motoru
20
Tabulka 1 Vliv připevnění snímače vibrací na způsobu připevnění [1]
Metoda připevnění
Vliv na výkonnost snímače (např. snímače s rezonancí 30 kHz) Pevný šroubový spoj V tomto rozsahu snímače nedochází k žádnému snížení rezonanční frekvence snímače v důsledku připevnění Izolovaný šroubový spoj Pokud je pro zabránění vzniku zemních smyček a jiných vlivů použit tuhý nevodivý materiál, jako je podložka ze slídy, montážní rezonanční frekvence je mírně snížená asi na 28 kHz Přilepení tuhým lepidlem Rezonance je snížená asi na 28 kHz Přilepení měkkým epoxidem Rezonance je snížená asi na 8 kHz Připevnění permanentním Rezonance je snížená asi na 7 kHz magnetem Ruční sonda se snímačem Rezonance je značně závislá na přítlaku a zkušenostech obsluhy. Metoda není doporučena pro měření nad 1 kHz 4.5
Rychlá Fourierova transformace FFT
Rychlá Fourierova transformace (FFT- Fast Fourier Transformation) je nejpoužívanější analytickou metodou, která ve vibračním signálu dokáže vyhledat periodické děje, které posléze zobrazí ve frekvenčním spektru a přiřadí jim patřičnou frekvenci. FFT je využita při diagnostice strojů s periodickým rotačním pracovním cyklem, kde je vibrační signál způsoben těmito periodickými ději. Frekvenční rozklad (frekvenční spektrum), je rozklad časového signálu na množství sinusových signálů s příslušnou amplitudou a počáteční fází. Tento frekvenční rozklad potom dává diagnostikovi významný nástroj pro identifikaci technického stavu strojních zařízení. V původním časovém signálu, který je složen z řady vibračních dějů (viz obr. 4-14), je velmi náročné identifikovat jednotlivé složky, ze kterých je složen. Proto je mnohem jednodušší využít frekvenční spektrum. Problematiku složeného časového signálu lze vysvětlit za pomoci obr. 4-14, kde lze vidět skládání časového signálu, který je složen z celé řady periodických dějů. Velmi často bývá nejdominantnějším signálem harmonický signál způsobený nevyvážeností, která se projevuje na otáčkové frekvenci. Další signál, který se v tomto případě vyskytuje jako druhý ve frekvenčním spektru, je signál způsobený vadou ložiska. Posledním signálem, ze kterého je časový signál složen, je signál způsobený zubovým převodem, resp. zubovou frekvencí. Zjednodušeně lze konstatovat, že nevyváženost se projevuje vlivem odstředivé síly od nevývažku, za jedno otočení hřídele proběhne právě jeden vibrační harmonický signál. U ložiska dochází ke vzniku signálu při přechodu valivých elementů přes vadu v ložisku, čímž je způsobeno mnohem více vibračních impulzů. Počet vibračních impulzů je závislý na počtu valivých elementů a na geometrii celého ložiska apod. Pro výpočet vad v ložisku existují vzorce pro výpočet poruchových frekvencí jednotlivých komponent. Proto lze dle frekvence usuzovat na poruchu vnitřního a vnějšího kroužku, poruchu valivého tělíska, 21
případně klece ložiska. Tyto frekvence udává většina výrobců k jednotlivým typům ložisek, takže velmi často není nutné použití vzorců. Posledním vibračním signálem, který tvoří výsledný složený časový signál, je signál tvořený záběrem ozubených kol, tzv. zubová frekvence. Zubová frekvence je dána součinem frekvence otáčení hřídele a počtu zubů ozubeného kola na dané hřídeli. Zubová frekvence je stejná pro spoluzabírající kola, protože právě jeden zub na hnacím hřídeli “narazí“ do zubu na hnaném hřídeli.
Obr. 4-14 Zobrazení vibrací soustrojí, jejich skládání a zobrazení ve frekvenčním spektru [1]
4.6
Příklad jednoduchého skládání signálu
Pro pochopení skládání jednoduchého signálu je vytvořen tento jednoduchý příklad. Jedná se o ideální teoretický případ (v reálném případě je signál složen z celé řady signálů), kde dochází ke skládání signálu pouze od nevývahy na rotoru elektromotoru a zubové frekvence způsobené ozubeným převodem. Vstupní hodnoty: Elektromotor s otáčkami n1 = 3000 min-1 Frekvence otáčení Jednostupňová převodovka: n1 = 3000 min-1
22
z1 = 10, z2 = 30 z1, z2 … počet zubů pastorku, kola převodový poměr
[-]
(4-9)
Pozn.: počet zubů z1, z2 je volen s ohledem na jednoduchý výpočet, v praxi je pro rovnoměrné opotřebení zubů volen na jednom ozubeném kole sudý a na druhém lichý počet zubů. Nesprávná montáž a základní únavové poškození zubů se ve frekvenčních spektrech projevuje na zubové frekvenci fz12. fz12 = z1 . fR1 = z2 . fR2 fz12 = 500 Hz
[Hz]
(4-10)
fR1, fR2 … rotorová frekvence pastorku, kola Na obr. 4-15 je zobrazen v horní části časový signál od elektromotoru, způsobený nevývahou, ve střední části je vyobrazen časový signál od ozubených kol s poloviční amplitudou. Všechny signály jsou v časovém měřítku 0,1 s. Ve spodní části je potom zobrazen složený časový signál vzniklý sčítáním a odčítáním dvou předchozích signálů. Na tomto příkladu je pro lepší orientaci v problematice jednoduchým způsobem demonstrováno skládání signálu.
Obr. 4-15 Signál nevývahy, signál zubové frekvence a výsledný složený signál, délka záznamu 0,1 s
23
4.7
Základní poruchy a jejich projevy [4]
4.7.1 Nevyváženost Nevyváženost zařízení vzniká již při samotné výrobě a je způsobena hmotou, která je nesouměrně umístěna mimo osu rotace. Nevyváženost způsobuje vznik mechanického kmitání, které má za následek velké namáhání celého stroje. Nevyváženost je nejběžnějším jevem mající v praxi za následek vznik velkého dynamického namáhání, čímž dochází k razantnímu zkrácení životnosti celého zařízení. Hodnota celkové rychlosti vibrací způsobená nevyvážeností je výrazně závislá na otočkách, resp. stoupá s kvadrátem otáček. Zdvojnásobíme-li otáčky, zvětší se hodnota vibrací na čtyřnásobek, proto je třeba brát také v úvahu otáčky zařízení, při kterých bude dané strojní zařízení pracovat. 4.7.2 Statická nevyváženost Vyskytuje se výjimečně, většinou je přítomna pouze u rotujících kotoučů, kde průměr kotouče je podstatně větší, než jeho šířka (tenké kotouče pily, brzdy atd.). Statická nevyváženost má posunutou centrální osu setrvačnosti (COS) oproti ose rotace (OR), vzájemně jsou spolu ale rovnoběžné (obr. 4-16).
Obr. 4-16 Statická nevyváženost [4]
Projev ve frekvenčním spektru vibrací: Statická nevyváženost se projevuje výraznou amplitudou na otáčkové frekvenci v radiálním směru na obou ložiskách s nulovým nebo malým fázovým posuvem ( 30o). Tato amplituda bývá ve většině případů dominantní a je přítomná na základní rotorové frekvenci. Fázový 24
rozdíl mezi horizontálním a vertikálním směrem je přibližně 90 ( 30o). Přítomnost harmonických násobků otáčkové frekvence ukazuje na vysokou nevyváženost nebo na vymezování vůlí v ložiskách. 4.7.3 Momentová nevyváženost (dvojicová nevyváženost) V případě momentové nevyváženosti jsou osy rotace (OR) a centrální osa setrvačnosti (COS) různoběžné, ale osy se protínají v těžišti rotoru. Při otáčení rotoru působí dvojice setrvačných sil od nevývažků na rotor a způsobují vibrace. V klidovém stavu se rotor jeví jako vyvážený, nevývaha se projevuje až při pohybu a to dvojicí sil, které způsobují momentové namáhání (obr. 4-17).
Obr. 4-17 Momentová nevyváženost [4]
Obr. 4-18 Příklad frekvenčního spektra s nevývahou statickou nebo momentovou
25
Projev ve frekvenčním spektru vibrací: Momentová nevyváženost se projevuje výraznou amplitudou v radiálním směru na obou ložiskách (viz obr. 4-18) s nulovým nebo malým fázovým posuvem ( 30o). Tato amplituda bývá ve většině případů dominantní a je přítomná na základní rotorové frekvenci. Fázový rozdíl mezi horizontálním a vertikálním směrem je přibližně 90 ( 30o). Přítomnost harmonických násobků otáčkové frekvence ukazuje na vysokou nevyváženost nebo na vymezování vůlí v ložiskách. 4.7.4 Dynamická nevyváženost V praxi se ve většině případů vyskytuje dynamická nevyváženost, která již v sobě kombinuje statickou a momentovou nevyváženost. Hlavní osa setrvačnosti neprotíná osu rotace v těžišti, ale k protnutí dochází mimo těžiště (obr. 4-19).
Obr. 4-19 Dynamická nevyváženost [4]
Projev ve frekvenčním spektru vibrací: Dynamická nevyváženost se také projevuje výraznou amplitudou na otáčkové frekvenci v radiálním směru na obou ložiskách, při velké nevyváženosti se může vytvořit amplituda na druhém násobku otáčkové frekvence (obr. 4-20). Pro odstranění nevyváženosti je třeba vyvažovat ve dvou rovinách. Fázový rozdíl mezi vibracemi v horizontálním směru na vnitřním a vnějším ložisku se může pohybovat od 0 do 180. Fázový rozdíl ve vertikálním směru musí být shodný s fázovým rozdílem v horizontálním směru.
26
Obr. 4-20 Projev dynamické nevyváženosti ve spektru vibrací
4.7.5 Úhlová a rovnoběžná nesouosost Velká část strojních zařízení je provozována se špatným ustavením nebo se špatnou, popř. poškozenou spojkou. Špatné ustavení nejvíce působí na spojku, což vede k velkému tepelnému i silovému namáhání spojky i k dodatečné deformaci hřídelů, zvyšování namáhání ložisek, převodovek a následnému zvyšování vibrací. Tyto vibrace se dále přenášejí do celého soustrojí a způsobují tak podstatné zvýšení vibrací, což vede k druhotnému poškození celého soustrojí. Rovnoběžná nesouosost, kdy původní osy rotací hřídelí před smontováním byly rovnoběžné (obr. 4-21). Při smontování hřídelů dojde k výraznému namáhání hřídelí i namáhání dalších součástí, případně spojky. Projevuje se velkými radiálními vibracemi. Nebývá výjimkou, že druhý harmonický násobek bývá často větší než otáčková složka. S rostoucím přesazením hřídelů se generují ve spektru amplitudy s čtvrtým až osmým harmonickým násobkem.
27
Obr. 4-21 Znázornění rovnoběžné nesouososti při rovnoběžném přesazení hřídelů
Obr. 4-22 Typický projev rovnoběžné nesouososti v radiálním směru s vyznačením otáčkové složky ve frekvenčním spektru
Úhlová nesouosost, kdy původní osy rotací hřídelů před smontováním byly nerovnoběžné, ale protínaly se (obr. 4-23). Projevuje se velkými axiálními vibracemi. Ve spektru může dominovat amplituda na první, druhé nebo také třetí harmonické frekvenci. Fázový rozdíl na obou stranách spojky je opačný, tudíž fázový rozdíl je 180°. 28
Obr. 4-23 Znázornění úhlové nesouososti
Obr. 4-24 Typický projev úhlové nesouososti v axiálním směru s vyznačením otáčkové složky ve frekvenčním spektru
29
5 5.1
METODY PRO HODNOCENÍ TECHNICKÉHO STAVU Trendování vibrací
Je jednou z nejpoužívanějších a současně nejjednodušších metod. Pro dosažení odpovídajících výsledků je třeba provádět měření v pravidelných intervalech a porovnání těchto hodnot s předchozím trendem. Jako sledovaná hodnota bývá často využito měření rychlosti vibrací, teploty apod. Při vytváření trendu v průběhu času dochází k tvorbě tzv. vanové křivky (viz obr. 3-1) a sledování vývoje měřené hodnoty. Pokud dochází ke zvyšování měřené hodnoty oproti ustálenému stavu, znamená to, že stroj se vyskytuje v závěrečné části životnosti a s tím souvisí blížící se porucha strojního zařízení. Praktické vyobrazení takového trendu je na obr. 5-1, kde můžeme sledovat roční průběh celkové efektivní rychlosti vibrací a v závěru je patrné zhoršování technického stavu. Pro určení varovných nebo limitních hodnot rychlosti vibrací můžeme využít např. některé normy. Jako provozní norma pro určení doporučených limitních hodnot nám může sloužit např. norma ČSN ISO 10 816 (obr. 5-2), dle těchto hodnot a také dle zkušeností můžeme nastavit alarmové hodnoty, které nás při překročení této hodnoty budou varovat o zhoršujícím se technickém stavu strojního zařízení. Ve vibrodiagnostice provádíme měření a trendování rychlosti, zrychlení nebo výchylky vibrací. Při sledování těchto veličin je třeba mít na paměti, že předchozí norma je pouze informativní, protože nelze zahrnout všechny podmínky, které mají vliv na výslednou veličinu. Např. nelze stejně hodnotit vibrace stejných typů čerpadel, ale dopravujících rozdílné médium (voda x kaly). Závislost vibrací je možné také pozorovat se změnou otáček, zatížení apod. Proto je nutné, aby měření vždy probíhala za stejných podmínek. Na obr. 5-3 je znázorněn rozdíl mezi měřením celkové efektivní rychlosti vibrací v zatíženém a nezatíženém stavu. Jak je patrné, tak dochází k výrazné změně rychlosti vibrací se změnou otáček, ale i se změnou zatížení. V tomto případě dosahuje rozdíl hodnot mezi nezatíženým a zatíženým stavem skoro 100 %. Proto je nutné pro správné porovnání změřených hodnot provádět měření vždy za stejných podmínek, tj. za stejných otáček i zatížení apod. V grafu můžeme také sledovat výrazné rozkolísání hodnot v nezatíženém stavu, což je způsobeno drobnou rezonancí některých dílů konstrukce. V tomto případě jsou dominantní vibrace v zatíženém stavu, to nemusí být ovšem pravidlem. Zda budou vibrace výraznější v zatíženém nebo nezatíženém stavu je závislé na řadě faktorů. Mezi tyto faktory lze zahrnout konstrukční provedení celého stroje, druh zatížení, vůle v ložiskách apod. Pokud budeme sledovat celkovou hodnotu zrychlení vibrací, tak zrychlení má ve srovnání s rychlostí vibrací velkou výhodu a to v tom, že nedochází ke změně hodnoty zrychlení se zatížením (obr. 5-4). To nám poskytuje velkou výhodu oproti rychlosti vibrací, protože se nemusíme obávat zkreslení měřené hodnoty vlivem zatížení. Je třeba ale dodržovat stejnou velikost otáček, protože dochází ke změně zrychlení s otáčkami. Pro rozdílné hodnoty otáček lze ovšem provést přepočet. V případě monitorování rychlosti vibrací se v této veličině nejvíce projevují poruchy mechanického typu jako je nevyváženost, nesouosost apod. V případě zrychlení
30
vibrací se v této veličině nejvíce projevují problémy vysokofrekvenční jako je opotřebení ložisek, ozubení atd.
Obr. 5-1 Roční průběh trendu rychlosti vibrací [6]
Obr. 5-2 Doporučené hodnoty celkové rychlosti vibrací [7]
31
Obr. 5-3 Rozběh zařízení - porovnání rozdílu hodnot rychlosti vibrací mezi zatíženým a nezatíženým zařízením od nízkých po vysoké otáčky [4]
Obr. 5-4 Porovnání rozdílu hodnot zrychlení vibrací mezi zatíženým a nezatíženým zařízením [4]
32
5.2
Stanovení alarmových hodnot
Z předchozího je patrno, že pro určení technického stavu strojních zařízení je poměrně vhodným parametrem sledování celkové hodnoty zrychlení vibrací a vytváření celkového trendu v čase. Zrychlení není příliš závislé na zatížení, ale pouze na otáčkách a na technickém stavu. Samozřejmě hodnota zrychlení může být ovlivněna některými vlivy, jako jsou nečistoty v mazivu, tření způsobené při uvolnění součástí atd. Proto je vhodné pro odhalení falešných indikací použití i jiných metod. Na obr. 5-5 můžeme pozorovat celkové hodnoty efektivních hodnot zrychlení vibrací u tří ložisek na stejném zařízení. Pro každé ložisko je znázorněn průběh zrychlení v závislosti na otáčkách a také v zatíženém a nezatíženém stavu. V případě ložiska motoru se jedná o ložisko s běžným opotřebením (přibližně v polovině životnosti bez větších známek pittingu). Průběh hodnoty zrychlení je v závislosti na otáčkách skoro lineární. V případě ložiska lož.1 se jedná o první známky pittingu, u dalšího ložiska lož. 2 je pitting o něco výraznější. Obě ložiska jsou v poslední třetině životnosti. Dle řady měření a na základě zkušeností lze potom definovat jednoduchou úsečku (alarmová úsečka hodnoty zrychlení), kdy při jejím překročení je vysoká pravděpodobnost, že v ložisku dochází k vývinu prvního pittingu (viz obr. 5-6). Tato alarmová hodnota (úsečka) má za úkol v co největším předstihu upozornit na zhoršující se technický stav a na nutnost naplánování opravy. Oblast využití této metody je výrazně omezena v nižších otáčkách, kdy rozdíl mezi dobrým a špatným ložiskem je nevýrazný. Lze říci, že nemá příliš význam používat tuto metodu pod otáčkami 500 až 600 min-1. Připomínám, že zrychlení vibrací může být ovlivněno celou řadou faktorů, které můžou měření zkreslit nebo znehodnotit. Pro použití tohoto způsobu je třeba znát konstrukční uspořádání celého stroje, abychom nevědomky nepřiřadili monitorovanému dílu zrychlení, které vzniká v jiných dílech stroje a s monitorovaným dílem nemá přímou souvislost. Pro eliminaci některých vlivů lze použít některé postupy, které můžou omezit nesprávné indikace, např. u znečištěného maziva nebo ložiska bez maziva lze provést domazání ložiska, což vyloučí vliv těchto konkrétních faktorů. Frekvenční rozsah měřeného pásma lze volit např. v pásmu 500 - 16 800 Hz, kde jsou odfiltrovány některé nízkofrekvenční zkreslující děje.
33
Obr. 5-5 Stanovení alarmové hodnoty pro celkovou efektivní hodnotu zrychlení v pásmu od 500 do 16800 Hz v závislosti na otáčkách [4]
Obr. 5-6 Počáteční poškození ložiska [4]
34
5.3
Stanovení aktuálních otáček ze spektra vibrací
Jak z předcházejícího vyplývá, tak pro správné stanovení alarmových hodnot je třeba znát správnou hodnotu otáček. Otáčky zařízení jsou jednou z nejdůležitějších informací pro správnou identifikaci poruch strojních zařízení, např. nesouosost, nevyváženost apod. Často bývá problematické stanovit správnou hodnotu aktuálních otáček. Jako nejjednodušší se jeví získání hodnoty pravděpodobných otáček ze štítku zařízení. Pokud tento údaj chybí nebo pracuje dané zařízení s proměnnými otáčkami, třeba za použití frekvenčního měniče, nezbývá než otáčky změřit, např. za pomoci laserového snímače otáček, stroboskopu nebo za pomoci mechanických snímačů. Velmi často není ani možnost provést tato měření z celé řady důvodů. Proto nám často zbývá poslední varianta a to zjištění aktuálních otáček za pomoci rozboru spektra rychlosti vibrací. Pro nejjednodušší orientační stanovení hodnoty otáček doporučuji, aby za otáčkovou frekvenci byla brána první amplituda ve frekvenčním spektru rychlosti vibrací vyšší než 0,5 mm/s (měřeno v efektivní hodnotě). Hodnota amplitudy s velikostí 0,5 mm/s byla stanovena pro eliminaci subharmonických (celočíselný podíl základní frekvence) amplitud nacházejících se ve spektru. U většiny zařízení také doporučuji, aby tato hodnota frekvence byla vyšší než 10 Hz, což by mělo eliminovat výraznou část rušivých jevů. Často se můžeme také setkat s přítomností subharmonických a interharmonických složek ve frekvenčním spektru o poměrně vysoké amplitudě. Tyto složky se vyskytují velmi často ve spojitosti při problémech se základy, rámem, měkkou patkou apod. Podle předchozího může chybně dojít k jejich záměně s otáčkovou frekvencí. Jednou z možností jak eliminovat tuto chybu je např. možnost analýzy postranních pásem, kde jsou postranní pásma mezi sebou i základní frekvencí (např. zubová frekvence a její násobky apod.) vzdáleny o otáčkovou frekvenci. Na obr. 5-7 je zobrazeno spektrum s řadou frekvencí. Může se jednat o harmonické násobky otáčkové frekvence, ale i interharmonické násobky. Z obrázku není zprvu patrno, zda otáčkovou složkou je dominantní amplituda na frekvenci 45,5 Hz nebo první amplituda na frekvenci 22,75 Hz, která má nižší hodnotu. Pro správné určení otáčkové frekvence můžeme využít již zmiňovaná postranní pásma. Je vhodné sledovat tyto postranní pásma o vyšších frekvencích, kde by neměly být již přítomny interharmonické násobky a nemělo by tak dojít k chybné interpretaci frekvence. Po analýze postranních pásem, které jsou od sebe vzdáleny právě o otáčkovou frekvenci (22,75 Hz), můžeme konstatovat, že otáčkové frekvenci lze přiřadit první amplitudu ve frekvenčním spektru (22,75 Hz). Přítomnost řady harmonických, případně interharmonických a subharmonických násobků bývá velmi často způsobeno velkým stupněm opotřebení, prasklým rámem, základem, uvolněním apod. Je třeba ještě podotknout, že pro správné vyhodnocení frekvenčního spektra a identifikaci otáčkové frekvence je třeba jistá míra zkušeností a také znalost konstrukčního uspořádání v analyzovaném zařízení. V opačném případě se můžeme opětovně dopustit milné interpretace frekvenčního spektra. 35
Obr. 5-7 Spektrum rychlosti s označením otáčkové frekvence 22,75 Hz
5.4
Identifikace technického stavu při využití časového záznamu
Časový záznam je velmi často opomíjeným nástrojem. Řada diagnostiků časový záznam a jeho vyhodnocení nevyužívá nebo využívá velmi málo. To je samozřejmě škoda, protože za pomoci časového signálu lze identifikovat některé specifické závady, které za pomoci jiných metod nelze identifikovat nebo pouze problematicky. Použití a správné vyhodnocení časových záznamů, případně jejich kombinace s dalšími metodami vibrodiagnostiky, nám může poskytnout cenný nástroj pro vyhodnocení technického stavu strojních zařízení. Na obr. 5-8 je vyobrazen časový signál rychlosti vibrací s projevem poruchy přidírání rotoru. V tomto případě dochází k místnímu tření rotoru o stator. Na obrázku lze pozorovat výrazný rozdíl mezi ořezanou a neořezanou půlvlnou časového záznamu rychlosti vibrací. Identifikace tohoto problému je za pomoci jiných metod poměrně náročná. Např. v tomto konkrétním případě není viditelný problém ani ve frekvenčním spektru, viz obr. 5-8. Také např. identifikace prasklého nebo ulomeného zubu u převodovky je za pomoci časového záznamu poměrně jednoduchá, v časovém záznamu je možné pozorovat absenci chybějícího kontaktu jednoho impulzu za otáčku. V tomto případě nedochází ke kontaktu zubu o zub a v záznamu tak viditelně chybí jeden impulz.
36
Obr. 5-8 Znázornění časového záznamu vibrací s přidíráním rotoru elektromotoru [4]
Obr. 5-9 Znázornění frekvenčního spektra rychlosti s harmonickými násobky otáčkové frekvence s vadou přidírání rotoru elektromotoru [4]
Na následujícím časovém signálu zrychlení (obr. 5-10) můžeme pozorovat přítomnost vysokých špiček, které jsou způsobeny přechodem valivého elementu přes vznikající vadu v ložisku. Přítomnost vysokých ostrých špiček nás může informovat o technickém stavu ložiska, resp. o rostoucím počátečním poškození. Všimneme-li si pravidelného kolísavého charakteru špiček v časovém záznamu, tak můžeme usuzovat na poškození vnitřního kroužku ložiska. Je to dáno postupným zatěžováním a odlehčováním poškozeného místa při otáčení vnitřního kroužku ložiska za jednu otáčku hřídele.
37
Obr. 5-10 Časový záznam se vznikajícím poškozením ložiska na vnitřním kroužku
5.5
Metoda Kurtosis
Pro tvorbu této podkapitoly byla využita literatura [2], [4], [11],[12]. Kurtosis – je to matematická metoda, která vyhodnocuje statistické rozdělení amplitud chvění se zřetelem na odchylku od normálního rozdělení, většinou ve frekvenčním rozsahu 2,5 – 80 kHz. Kurtosis faktor se většinou sleduje v pěti frekvenčních pásmech. Výsledné hodnocení je provedeno formou K – faktoru. Kurtosis faktor je založen na předpokladu, že nepoškozené ložisko generuje pouze náhodný šum, který má normální (Gaussovo) rozdělení. Pokud se začne zvětšovat poškození ložiska, začne se zvětšovat také množství vyšších špiček a v tom případě již nejsou splněny úvodní předpoklady a metoda začne reagovat na vznikající poškození. Zjednodušeně lze říci, že v principu je metoda Kurtosis v podstatě výpočet špičatosti signálu, který je použitelný jako indikátor normálního rozdělení (hodnota = 3). Pokud hodnota faktoru narůstá, znamená to i vzrůstající poškození ložiska.
KA
( x x) . p( x)dx
4
[-]
4
x - amplituda signálu, x – střední hodnota, p(x) – pravděpodobnost (x), - standardní odchylka vůči nulovému signálu
38
(5-1)
Obvyklé měření je prováděno v pásmech:
• K1 2,5 – 5 kHz • K2 5 – 10 kHz • K3 10 – 20 kHz • K4 20 – 40 kHz • K5 40 – 80 kHz 5.6
Crest faktor
Pro vyhodnocení technického stavu ložisek je celá řada metod. Jednou z jednoduchých metod, které lze využít pro identifikaci technického stavu ložisek je Crest faktor. Výpočet tohoto faktoru je poměrně jednoduchý a je vyjádřen poměrem PEAK/RMS. Velkou výhodou této metody je velmi brzká reakce na již prvopočáteční poškození ložiska. Ovšem výraznou nevýhodou je snižování číselné hodnoty Crest faktoru s výraznějším rozvinutím poškození. Na obr. 5-11 můžeme sledovat vývoj této hodnoty v průběhu poškození ložiska. V prvopočátku poškození ložiska se jeho hodnota výrazně zvyšuje a velmi brzy upozorňuje na počátek vzniku poškození. S postupným nárůstem poškození se ale jeho hodnota snižuje, což je pro pozdější identifikaci poruchy nepříznivé. Praktické znázornění průběhu hodnot v závislosti na poškození je vyobrazen na obr. 5-12. Zde je znázorněna reakce Crest faktoru ve srovnání s ostatními metodami. Tato metoda jako první začne reagovat na prvopočáteční poškození a dosáhne alarmové hodnoty, která je zvolena pro velmi včasnou identifikaci vznikajícího poškození na hodnotu v rozmezí 3,5 - 4. Ihned v začátcích dosahuje několikanásobku této alarmové hodnoty v porovnání s ostatními metodami, u kterých je reakce velmi pozvolná. Výrazná reakce Crest faktoru je způsobeno vznikem drobných, ale ostrých trhlin v materiálu ložiska. Vývoj hodnot ostatních metod je v porovnání s Crest faktorem poněkud pozvolnější s pozdější schopností identifikace, ale vesměs nedochází k poklesu identifikačních hodnot, ale k jejich postupnému nárůstu. Při průchodu valivého elementu přes ostrou hranu trhliny dochází k velkému nárůstu špičkové hodnoty oproti celkové energii vibrací, což je zaznamenáno jako skoková změna Crest faktoru. Kolísání této hodnoty je způsobeno vznikem nových ostrých trhlin a jejich opětovným postupným zahlazováním. Na obr. 5-13 je znázorněn průběh opotřebení ložiska, kdy postupně dochází k vývoji prvního pittingu a prvních prasklinek. Při přechodu valivých tělísek ložiska dochází k inicializaci velmi krátkých rázových dějů, které se v časovém záznamu zrychlení projevují vznikem vysokých ostrých špiček. Dalším provozem dochází k postupnému zahlazování těchto hran, což se projevuje zase snižováním špičkových hodnot, ale s rozvinutím poškození ložiska postupně roste celková energie vibrací. Postupně dochází ke vznikání nových prasklinek 39
a jejich následnému zahlazování, což má za následek výkyvy špičkových hodnot zrychlení vibrací v časovém záznamu a skokovou změnu Crest faktoru.
Obr. 5-11 Zobrazení vývoje Crest faktoru v průběhu životnosti ložiska [11]
Obr. 5-12 Graf vývoje hodnot jednotlivých metod v závěrečné fázi životnosti ložiska [4]
40
Obr. 5-13 Průběh postupného poškození ložiska v časovém signálu zrychlení vibrací
5.7
Nesymetrie elektromagnetického pole
Problém nesymetrie elektromagnetického pole může být způsoben celou řadou příčin. Mezi tyto příčiny lze zahrnout prakticky veškeré důvody, které způsobí vznik nerovnoměrného působení elektromagnetického pole, tzn. proměnná vzduchová mezera, zkrat vinutí, přechodové elektrické odpory v jedné fázi, nekvalitní výroba atd. Pro identifikaci tohoto problému lze využít frekvenční spektrum rychlosti, kde se tato závada projeví na dvojnásobku síťové frekvence, tj. 100 Hz. Amplituda na této frekvenci roste se zvětšující se nesymetrií elektromagnetického pole. Je možné také pozorovat závislost amplitudy nesymetrie magnetického pole při zvětšování zátěže, resp. při zatěžování elektromotoru se velikost amplitudy zmenšuje, proto je vhodné analyzovat tuto poruchu nejlépe při nezatíženém elektromotoru, kdy se porucha nejvíce projeví. Pro odhalení této závady ve frekvenčním spektru je nutné mít také vhodné nastavení frekvenčního spektra, protože při nesprávném nastavení může splynout amplituda způsobená nesymetrií elektromagnetického pole s harmonickým násobkem otáčkové frekvence. Proto bych doporučil pro analýzu frekvenčního spektra rychlosti nastavení spektra pro sledování nižších frekvencí s vyšším rozlišením. Pro pozorování těchto nízkoharmonických dějů můžu doporučit jako vhodné nastavení frekvenční spektrum s rozsahem od 1 do 800 Hz (nebo lépe i s nižším 1 - 400 Hz), s počtem čar až 3200 (pro lepší odlišení harmonických násobků otáčkové frekvence a dvojnásobku síťové frekvence). 41
Jako orientační doporučení nám může sloužit tabulka 2, která vznikla na základě autorova dlouhodobého monitorování strojních zařízení a na základě jeho zkušeností. Je také třeba brát na zřetel, že při použití frekvenčního měniče bude frekvence nesymetrie elektromagnetického pole na dvojnásobku frekvence generované měničem. Také velikost této amplitudy se podstatně zvětší, proto u motorů řízených frekvenčním měničem nedoporučuji použití této tabulky!
Tabulka 2 Doporučené maximální efektivní hodnoty rychlosti vibrací na síťové frekvenci pro identifikaci nesymetrie elektromagnetického pole motorů, měřeno bez zatížení, bez frek. měniče [4]
Elektromotory bez frekvenčního do 1 kW měniče Maximální doporučené efektivní hodnoty rychlosti vibrací na 0,4 mm/s dvojnásobku síťové frekvence
do 5 kW
do 75 kW
0,6 mm/s 1 mm/s
nad 75 kW 1,2 mm/s
Na obr. 5-14 je frekvenční spektrum rychlosti vibrací, kde můžeme pozorovat jednotlivé velikosti amplitud na různých frekvencích. Můžeme zde pozorovat tři významné amplitudy vibrací. První amplituda je ve spektru na otáčkové frekvenci a je tvořena nevyvážeností celé soustavy. Její frekvence je 24,7 Hz (1482 min-1) a její velikost je v porovnání s ostatními podstatně menší, což bude mít na celkové vibrace poměrně malý vliv. Nejvýraznější podíl budou mít dvě nejvýraznější amplitudy a to druhá amplituda ve spektru, která je také největší a vyskytuje se na dvojnásobku otáčkové frekvence (49,4 Hz). Tato amplituda je způsobena nesouosostí celé soustavy. Poslední třetí amplituda se vyskytuje na frekvenci 100 Hz. V tomto případě se nejedná o harmonický násobek otáčkové frekvence, ale jedná se o dvojnásobek síťové frekvence. Její velikost je způsobena elektrickými problémy elektromotoru, resp. nesouměrností elektrického pole. V blízkosti této frekvence můžeme sledovat také malý, skoro neviditelný čtvrtý násobek otáčkové frekvence, který nás může utvrdit v tom, že se nejedná o harmonický násobek otáčkové frekvence, ale o projev elektrického charakteru, resp. o projev nesouměrnosti elektromagnetického pole, který je způsobený nerovnoměrnou mezerou mezi rotorem a statorem elektromotoru. Pro odlišení těchto často velmi blízkých frekvencí je třeba mít již zmíněné podrobné nastavení frekvenčního spektra. V případech blízkosti dvou frekvencí můžeme často sledovat v časovém signálu kolísání vibrací, které vedou ke vzniku tzv. záznějových vibrací (viz obr. 5-15). Vznik záznějových vibrací je způsoben sčítáním a odčítáním amplitud blízkých frekvencí. Celý děj je doprovázen poměrně nepříjemným akustickým efektem, který má kolísavý charakter a projevuje se postupným zeslabováním a zesilováním signálu. Jak již bylo řečeno, tak blízkost harmonických násobků otáčkové frekvence nemusí být rozeznána a může splynout s amplitudou od nesymetrie elektromagnetického pole, proto je vhodné ověření diagnózy, zda se s určitostí jedná o elektrické problémy. Pro ověření můžeme 42
velmi jednoduše použít doběh elektromotoru, respektive odpojení elektromotoru od elektrické sítě, čímž se vyloučí vliv elektrických problémů. Na obr. 5-16 je znázorněn doběh elektromotoru za pomoci kaskády frekvenčních spekter rychlosti. Nezatížený motor postupně zpomaluje z otáček 1498 min-1 až do zastavení. Okamžik vypnutí přívodu elektřiny je znázorněn v kaskádě frekvenčních spektrech modře a lze velmi názorně sledovat okamžitou absenci amplitudy na 100 Hz frekvenci ve spektru vibrací, včetně jejich násobků. První amplituda ve spektru je způsobena nevyvážeností a její útlum je postupný, protože její velikost je určena odstředivou silou nevývažku, resp. kvadratickou závislostí na otáčkách.
Obr. 5-14 Frekvenční spektrum s vyznačením první a druhé otáčkové frekvence, včetně druhého násobku síťové frekvence, měřeno na sestavě vývěvy
Průběh snižování otáček je zobrazen na obr. 5-17, kde můžeme pozorovat pozvolné snižování otáček v průběhu doběhu až do zastavení. Pokud porovnáme průběh snižování otáček s průběhem snižování celkové efektivní rychlosti vibrací při tomto doběhu (viz obr. 5-18), tak je patrné, že k velkému poklesu vibrací dochází ihned po vypnutí elektromotoru, z čehož lze usuzovat na vysoký vliv nesymetrie elektromagnetického pole na celkové vibrace elektromotoru.
43
Obr. 5-15 Detail časového záznamu záznějových vibrací s vyznačením jedné otáčky hřídele (40,5 ms), měřeno na sestavě vývěvy [4]
Obr. 5-16 Doběhový záznam frekvenčního spektra rychlosti vibrací samotného elektromotoru, měřeno s odstupem 1s
44
Obr. 5-17 Doběh elektromotoru – průběh snižování otáček elektromotoru [4]
Obr. 5-18 Doběh – průběh celkové efektivní rychlosti vibrací elektromotoru [4]
5.8
Záznějové vibrace
Jak již bylo v předchozím řečeno, zázněje vznikají u amplitud s blízkou frekvencí, kdy postupně dochází k jejich sčítání a odčítání, což se ve výsledku projevuje kolísáním vibrací a to je zpravidla doprovázeno nepříjemným akustickým projevem. Pokud by se výsledný signál skládal pouze ze dvou amplitud o stejné velikosti, tak by docházelo ke střídavému kolísání vibrací od dvojnásobku amplitudy, až po úplný zánik vibrací. Frekvence střídavého zesilovaní a zeslabování je u záznějových vibrací závislá na rozdílu frekvencí tvořících zázněje, tzn. výsledná frekvence záznějového signálu bude rovna rozdílu frekvencí, ze kterých je signál tvořen. Např. pokud bude signál tvořen dvěma blízkými frekvencemi s hodnotami 50 Hz a 51 Hz, tak výsledný složený záznějový signál bude s frekvencí 1 Hz. 45
Na obr. 5-19 můžeme pozorovat praktický příklad průběhu záznějové frekvence, kdy dochází ke snižování a zvyšování vibrací. Tento záznějový děj lze často odhalit i pouhým poslechem, kdy je slyšet snižování a zvyšování hlučnosti zařízení, což může být posluchačem vnímáno jako nepříjemný akustický vjem.
Obr. 5-19 Praktický příklad záznějových vibrací v časovém záznamu [4]
5.9
Praktické příklady diagnostiky čerpadel
V tomto případě byla řešena problematika nadměrných vibrací u několika horizontálních čerpadel s výkonem asynchronního elektromotoru 55 kW a štítkovými otáčkami 1475 ot/min. 5.9.1 Horizontální čerpadlo 1 Na obr. 5-20 je zobrazena sestava čerpadla, u kterého docházelo k nadměrným vibracím. V horizontálním směru dosahovala celková efektivní hodnota vibrací 12,2 mm/s (viz obr. 5-21). Dle ČSN ISO 10816 leží tato hodnota v pásmu D – hodnoty v tomto pásmu vibrací jsou natolik nebezpečné, že mohou vyvolat poškození stroje. Vzhledem k tak vysokým hodnotám rychlosti je třeba odstavit co nejdříve toto čerpadlo z provozu, aby nedošlo k dodatečným škodám. Rozebereme-li hodnoty v jednotlivých měřících místech a jednotlivých směrech, zjistíme, že největších hodnot vibrací je dosahováno v horizontálním směru a postupným vzdalováním od bodu ML1 dochází k útlumu vibrací. Předcházející nás může upozornit, že je třeba zaměřit se na motor, nejlépe na bod ML1, případně také na kontrolu konstrukce, protože vibrace v horizontálním směru jsou vysoké, což může mít souvislost také s tuhostí konstrukce. 46
Obr. 5-20 Celkový pohled na sestavu jednoho z čerpadel
Obr. 5-21 Zobrazení efektivních hodnot vibrací všech měřených bodů v pásmu 10-1000 Hz
47
Obr. 5-22 Frekvenční spektrum rychlosti vibrací motoru v bodě 1 v horizontálním směru (ML1H)
Rozborem frekvenčního spektra v měřícím bodě ML1H (obr. 5-22) objevíme vesměs pouze otáčkovou frekvenci na hodnotě 24,75 Hz, hodnoty zrychlení ani jiné metody nepřinesly přesvědčivého výsledku, pouze rozbory dalších spekter můžou ukazovat také na nesouosost. Vzhledem k velikosti amplitudy a rozborem frekvenčního spektra je jasné, že se bude jednat o mechanickou příčinu. Je třeba využit v tomto případě trochu zkušenosti a vizuálně zkontrolovat celé uchycení motoru včetně základového rámu. V první řadě nás může zaujmout přítomnost řady “ustavovacích podložek“, což může vypovídat o problémech s ustavováním tohoto čerpadla. Provedeme-li také měření na rámu čerpadla, tak zjistíme, že velikost vibrací je skoro totožná jako na měřících bodech na elektromotoru, což by mělo znamenat, že šrouby nejsou uvolněny a vibrace se přenášejí na celou konstrukci, proto je třeba hledat závadu dále v konstrukci. Pro objektivizaci technického stavu rámu provedeme vizuální kontrolu. Vzhledem k velkému znečištění celého rámu je nutné očištění kritických míst na rámu. Po očištění těchto kritických míst a odstranění četné koroze, můžeme pozorovat četné praskliny ve svarech na U – profilech. Tyto praskliny zapříčinily nízkou tuhost celého rámu, čímž byly zapříčiněny vysoké vibrace elektromotoru, které se dále šíří na další díly sestavy. Na následujících obrázcích (obr. 5-23, obr. 5-24) je zřetelně vidět rozsah poškození. Rám je v zadní části poškozen výraznými trhlinami. Jejich přítomnost lze díky jejich velikosti identifikovat již za pomoci hmatu, kdy lze identifikovat jejich rozevírání a zavírání. Popraskání rámu má za následek nadměrné zvýšení vibrací, je třeba ale podotknout, že 48
konstrukční provedení tohoto rámu je nevyhovující. K vytvoření tohoto rámu nebo spíše redukce za pomoci U-profilů došlo již před lety, kdy došlo k výměně starého robustního motoru a místo něj byl použit menší motor o stejném výkonu, což bývá poměrně častý jev. Aby došlo ke kompenzaci rozdílné výšky, tak byl vytvořen tento nevyhovující poddimenzovaný rám, který má silnou tendenci k tvorbě trhlin. Pro odstranění tohoto stavu byla doporučena oprava rámu – svaření rámu. Jistou velmi jednoduchou možností by také bylo, kdyby se místo stávajícího spojení mezi šrouby a U-profily použilo delších šroubů, které by byly spojeny s původním spodním rámem, což je otázka pouze vyvrtání otvorů a závitů. Tato jednoduchá úprava by zajistila přenos síly až na spodní rám, čímž by nedocházelo k cyklickému namáhání svarů a nehrozilo by tak praskání rámu. Vzhledem k tomu, že provozovatel nedbal doporučení a neprovedl potřebnou nápravu, tak můžeme na dalším grafu (obr. 5-25) sledovat zvýšení vibrací po uplynutí jednoho měsíce. V některých místech došlo ke zvýšení vibrací až na dvojnásobek oproti původní hodnotě. Zvýšení vibrací bylo zapříčiněno převážně díky dalšímu rozšíření trhliny, toto rozšíření můžeme pozorovat na obr. 5-26. To je samozřejmě kritický stav, kdy výrazně hrozí nebezpečí destrukce celého zařízení i s konstrukcí. Naštěstí tentokráte provozovatel vzal v úvahu vysoké nebezpečí, které tato situace sebou přináší a přistoupil k opravě prasklého rámu. Oprava rámu byla provedena sice pouze svařením prasklin, ale i tak došlo ke snížení vibrací. Vzhledem k málo tuhé konstrukci a již zhoršenému technickému stavu ložisek, tak došlo ke snížení rychlosti vibrací pouze na hodnotu 8 - 9 mm/s.
Obr. 5-23 Pohled na prasklinu rámu na levé zadní straně motoru
49
Obr. 5-24 Pohled na prasklinu rámu na pravé zadní straně motoru
Obr. 5-25 Zobrazení efektivních hodnot vibrací všech měřených bodů v pásmu 10-1000 Hz
50
Obr. 5-26 Zobrazení dalšího šíření trhliny v rámu
5.9.2 Horizontální čerpadlo 2 V případě druhého čerpadla se jedná o čerpadlo se stejnými parametry. Také v tomto případě jsou hodnoty vibrací na vysoké úrovni. K největším vibracím dochází opětovně v horizontálním směru obdobně jako v předchozím případě (viz obr. 5-27). Kontrola rámu ani měření na rámu neobjevily závadu ani praskliny. Je třeba provést rozbor frekvenčních spekter. Nejzajímavější spektra nalezneme v bodě ML2, kde můžeme pozorovat v horizontálním směru velmi výraznou nevyváženost, která se projevuje na dvojnásobku otáčkové frekvence (obr. 5-28). Další spektrum, které stojí za zmínku je spektrum v axiálním směru (obr. 5-29). Rozbor tohoto spektra je poněkud náročnější, mimo harmonické složky se ve spektru nachází řada interharmonických násobků. Harmonické násobky ve spektru nám napovídají, že se jedná o velkou úhlovou nesouosost. Řada chaotických interharmonických násobků svědčí o výrazném poškození některého z dílů, v tomto případě zřejmě spojky. Pro potvrzení tohoto tvrzení můžeme využít přímo za provozu např. stroboskop nebo i kvalitní fotoaparát. Tyto způsoby umožní prozkoumat rotující díly i bez nutnosti zastavení celého čerpadla.
51
Obr. 5-27 Zobrazení efektivních hodnot vibrací všech měřených bodů v pásmu 10-1000 Hz
Pozorování spojky potvrdilo původní domněnku, že se jedná o poškození spojky. Na obr. 5-30 a obr. 5-31 můžeme sledovat poškozenou spojku již po zastavení. Na fotografiích lze pozorovat předpokládané poškození spojky. V tomto případě se jedná o vážnou závadu, kdy došlo k poškození nebo vypadnutí většiny silonových kroužků, což se projevuje velkými vibracemi, které jsou podpořeny zvláště v horizontálním směru špatnou tuhostí rámu. Nízká tuhost rámu a tím zvětšené vibrace kladou vysoké nároky na spojku, čímž dochází k rychlému opotřebení spojky a to je také zřejmě příčina tohoto poškození. Protože spojka musí kompenzovat nadměrné vibrace je její životnost výrazně omezena. Pro správnou diagnostiku strojních zařízení je třeba přistupovat k měření komplexně a také mít k dispozici co možná nejvíce informací o diagnostikovaném zařízení, např. otáčky, výkon, provozní podmínky a jiné. Absence těchto dat může ve výsledku zapříčinit chybné rozhodnutí. Identifikace poškozeného dílu je jenom část řešení. Aby nedocházelo k neustálému opakování poruchy, je třeba navrhnout a realizovat také nápravné opatření, aby bylo maximálně zabráněno opětovnému vzniku poruchy.
52
Obr. 5-28 Frekvenční spektrum rychlosti vibrací v bodě ML2H v horizontálním směru
Obr. 5-29 Frekvenční spektrum rychlosti vibrací motoru v bodě 2 v axiálním směru (ML2A)
53
Obr. 5-30 Pohled shora na vadnou spojku s vypadanými silonovými kroužky
Obr. 5-31 Zobrazení Boční pohled na vadnou spojku s vypadanými silonovými kroužky
54
5.10 Spalovací motory Se spalovacími motory se při klasické diagnostice setkáváme spíše zřídka, je ovšem třeba znát jistá specifika, které použití těchto motorů sebou přináší. U elektromotorů bývá většinou největší amplituda na otáčkové frekvenci. V případě spalovacích motorů tomu tak není. Nejdříve si musíme uvědomit, co způsobuje nevětší vibrace. U spalovacích motorů to je spalovací proces, resp. silné detonace, které vznikají v důsledku stlačení a zapálení nebo vznícení směsi ve spalovacím prostoru, což je doprovázeno vznikem velkých vibrací. U čtyřdobých (čtyřtaktních) motorů dochází ve spalovacím prostoru ke čtyřem pracovním dobám: sání, stlačení (komprese), výbuch (expanze), výfuk. Tyto doby proběhnou právě za dvě otáčky klikového hřídele. V jednom válci v motoru dojde k nejvýraznějšímu projevu (výbuchu) za dvě otáčky motoru, což by se u jednoválcového motoru projevilo ve frekvenčním spektru na 1/2 otáčkové frekvence. V případě dvouválcového motoru bude nejvýraznější projev na otáčkové frekvenci, u čtyřválcového na dvojnásobku a u šestiválcového na trojnásobku otáčkové frekvence apod. Pro vyjádření frekvence spalování fsp, která je ve frekvenčním spektru způsobena zápaly lze stanovit jednoduchý vzorec pro výpočet:
[Hz]
(5-2)
fsp … frekvence spalování fn … otáčková frekvence klikového hřídele motoru
Tato frekvence je ve spektru většinou dominantní a svou velikostí amplitudy většinou předčí i jiné projevy pocházející z motoru. Velikost amplitudy způsobené frekvencí spalování je výrazná v nižších otáčkách, zatím co se zvyšujícími se otáčkami dochází k útlumu této amplitudy, zatímco např. u amplitudy způsobené nevyvážeností dochází k jejímu nárůstu. Působení těchto vibrací výrazně ovlivňuje chování celé soustavy. Je třeba brát v úvahu, že budící síla, resp. frekvence této budící síly se dle počtu válců zvětšuje a ve srovnání s otáčkovou složkou tak dochází mnohem dříve k vybuzení, resp. k dřívějšímu dosažení rezonančních frekvencí soustavy. Na obr. 5-32 je znázorněno frekvenční spektrum čtyřválcového motoru s dominantní frekvencí na druhém násobku otáčkové frekvence. Toto frekvenční spektrum bylo změřeno při volnoběžných otáčkách přímo na rámu stroje, tudíž až po útlumu vibrací při přechodu přes silentbloky. I přes tento tlumící účinek jsou často přenášeny výrazné vibrace dále na celou konstrukci, což je třeba mít na paměti při vyhodnocování technického stavu strojního zařízení.
55
Obr. 5-32: Frekvenční spektrum rychlosti vibrací čtyřdobého čtyřválcového motoru
Obr. 5-33 Frekvenční spektrum rychlosti vibrací čtyřdobého šestiválcového motoru
U dvoudobých (dvoutaktních) motorů dochází ve spalovacím prostoru ke vměstnání čtyř pracovních dob do jedné otáčky klikového hřídele. Za jednu otáčku klikového hřídele tudíž dojde k jednomu výbuchu ve spalovacím prostoru. Projevy i působení amplitudy na spalovací frekvenci je analogické jako v předchozím případě. Potom vzorec pro výpočet frekvence spalování bude: [Hz] fsp … frekvence spalování fn … otáčková frekvence klikového hřídele motoru
56
(5-3)
6
REZONANCE
Každé zařízení, které je provozované v blízkosti vlastní rezonanční frekvence, je namáháno neúměrně vysokými vibracemi, které můžou vést k poškození nebo zničení celého zařízení. Běžné ocelové konstrukce mají většinou malé tlumení, proto u nich bývá zvýšení amplitudy vibrací (zesílení) v rezonanční oblasti velmi výrazné. V podstatě se jedná o nucené kmitaní, které může zapříčinit i malá budící sila a následně způsobit velké změny v kmitajícím systému. Nastává v případě, když frekvence budící sily odpovídá vlastní frekvenci konstrukce nebo časti stroje. Samotná rezonance vibrace nezpůsobuje, pouze v případě působení vibrací na rezonanční frekvenci tyto vibrace výrazně zvyšuje. Proto je snaha konstruktérů vytvářet soustrojí tak, aby bylo zařízení provozováno pod nebo mimo rezonanční oblast. Každá část strojního zařízení má určitou tuhost a hmotnost, na těchto parametrech převážně závisí vlastní frekvence a tím i vibrační chováni. Dalším faktorem, který není dobré zanedbat je také třeni, které snižuje vibrace při rezonanci – tření můžeme zajistit určitou formu tlumení. Většinou je ale úroveň tlumeni neznámá. Na obr. 6-1 je znázorněn vliv úrovně tlumení na velikost vibrací – b2 přestavuje velké tlumení, b1 naopak male tlumeni. Při nízké úrovni tlumení dochází k většímu nárůstu vibrací, je umožněna větší amplituda rozkmitání soustavy, zatím co u většího tlumení je projev rezonance skoro nepatrný a identifikovaný je víceméně pouze díky změně fáze.
Obr. 6-1 Vliv velikosti tlumení na velikost amplitudy vibrací [3]
Z hlediska charakteru vyvozených dynamických zatěžovacích účinků lze rozlišit: rotační stroje – zdrojem periodicky působících vibraci u těchto zařízeni je většinou nevyvážená hmota rotujících součásti
57
pístové stroje – zdrojem vibraci je periodický translační nebo rotační pohyb pohyblivých součásti stroje zařízeni vyvozující rázy – zdrojem vibraci jsou silové pulzy (nárazy) v délce trváni řádu jednotek až desítek milisekund, způsobené dopadající hmotou zařízeni, vyvozující mimořádná krátkodobá momentová zatíženi – momentové časové funkce, které nastávají při poruchách či zkratu elektromotoru nebo generátoru nebo nesprávném sfázovaní generátoru nebo špatný frekvenční měnič, které způsobuji rozkmitáni konstrukce 6.1
Možnosti odstranění rezonance
V případě, že konstrukce byla navržena bez ohledu na rezonanční vlastnosti konstrukce, tak může dojít k nadměrným vibracím celé konstrukce a dodatečným poškozením. Je tedy snahou provést takové dodatečné zásahy, aby došlo ke snížení vibrací a ke zlepšení provozních podmínek. Pro dodatečné možnosti můžeme použít následující možnosti: Konstrukční úpravy Změna parametrů rezonanční síly Jiné metody a způsoby Konstrukční úpravy bývají jedním z nejpoužívanějších způsobů i přes to, že se velmi často jedná o nejdražší a nejnáročnější způsob nápravy stávajícího stavu. Poměrně často se můžeme setkat se vžitým názorem, že pokud jsou nadměrné vibrace, tak provedeme nápravu za pomoci zesílení konstrukce. Často to není zrovna nejvhodnější řešení a v některých krajních případech může celou situaci ještě zhoršit. Pro správnou nápravu stavu je třeba využít patřičných konstrukčních a simulačních programů, za pomoci kterých je pak možné provést vhodnou nápravu stávajícího stavu. Výsledkem může být vhodné umístění dodatečných podpor, úprava některých profilů, zesílení, ale i ztenčení konstrukce, odstranění nebo přidání konstrukčních částí a řada dalších způsobů. Změna parametrů rezonanční síly, resp. vibrací, které působí na rezonanční frekvenci a způsobující tak rezonanci konstrukce. Tyto způsoby velmi často patří k nejjednodušším možnostem pro zabránění nebo omezení rezonance. Pokud je to možné, volíme změnu frekvence působící síly tak, aby výsledná frekvence již nebyla v kolizi s rezonancí dané konstrukce. Např. pokud je zdrojem budící síly elektromotor, tak můžeme použít pro změnu frekvence budící síly frekvenční měniče, jiný elektromotor s jinými otáčkami apod. Další způsob je omezení působící síly. Velmi často je zdrojem budící síly nevývaha, nesouosost, případně další poruchy. Pokud odstraníme nebo omezíme tyto vibrace, tak i vibrace konstrukce se můžou razantně snížit. Jiné metody a způsoby, např. přeladění soustavy za pomoci pružin, tlumičů, silentbloků apod. Z části se jedná o kombinaci předcházejících dvou způsobů.
58
6.2
Rezonanční módy konstrukce
Pro zjištění rezonančních frekvencí a znázornění tvarů vlnění konstrukce při dosažení jednotlivých rezonančních frekvencí slouží tzv. modální analýza. Na následujících obrázcích jsou jednoduchým způsobem prezentovány jednotlivé tvary rezonančních módu při dosažení jednotlivých rezonančních frekvencí. Je třeba mít také na paměti, že teoreticky má každá konstrukce nekonečně mnoho rezonančních frekvencí a že se tedy nejedná pouze o jedu rezonanční frekvenci. Na následujících obrázcích (obr. 6-2, obr. 6-3 a obr. 6-4) jsou znázorněny modální tvary jednoduchého kruhového nosníku za pomoci simulačního softwaru. Je třeba si uvědomit, že pokud bychom dělali konstrukční úpravu, musíme vědět o jaký rezonanční mód se jedná. V opačném případě by naše snaha o nápravu stávajícího stavu nemusela mít kýženého výsledku. Na obr. 6-2 je znázorněn první rezonanční mód, kde v případě konstrukční úpravy je vhodné umístění podpory přímo doprostřed, čímž bychom dokázali účinně omezit vznikající nadměrné vibrace. V druhém případě (obr. 6-3) by tato předchozí konstrukční úprava u druhého rezonančního módu neměla účinku. V tomto případě je vhodné umístění podpor přímo do míst s největší amplitudou, tzn. dvě podpory ve vzdálenosti ¼ na obou stranách od kraje. Na posledním obrázku (obr. 6-4) by opětovně předchozí řešení nemuselo být tím nejvhodnějším, proto je nutné vědět, zda a v jakém rezonančním módu, resp. tvaru je dané zařízení provozováno. Pro správné určení rezonančního módu a jeho tvaru, je také nutné provedení odpovídajících měření, která budou provedena na správných místech. Je řada metod, za pomoci kterých lze určit rezonanční módy konstrukce, např. metoda PTK. Pro získání relevantních dat z měření musíme brát v úvahu také vhodné umístění snímače. Pokud bychom umístili snímač nevhodně, jako je tomu na obr. 6-5, tak bychom např. přímo v kmitnách naměřili skoro nulovou hodnotu vibrací a následné vyhodnocení měření by neodpovídalo skutečnosti. Proto je nutné při měření postupovat precizně. Nejlepším způsobem pro odstranění rezonance a s tím souvisejícími problémy je zabývat se touto problematikou již při návrhu konstrukce. Většina již základních softwarů má v sobě modul pro zjištění rezonančních frekvenci (např. Autodesk Inventor), kde ověření rezonance je vesměs jednoduchou záležitostí, samozřejmě záleží na náročnosti součásti. Pokud věnujeme patřičné úsilí již při návrhu konstrukce, velmi často si tak ušetříme řadu nepříjemností plynoucích s pozdějším užíváním.
59
Obr. 6-2 První rezonanční mód [3]
Obr. 6-3 Druhý rezonanční mód [3]
Obr. 6-4 Třetí rezonanční mód [3]
60
Obr. 6-5 Praktické zobrazení rezonance
6.3
Praktický příklad rezonance – rezonance kabiny nakladače
V tomto případě se jednalo o nadměrný vznik vibrací v kabině při pracovních otáčkách (1450 min-1). Při těchto pracovních otáčkách, kdy je v provozu veškerá hydraulika stroje, je tento stroj většinu času provozován. Přímo obsluha stroje si stěžovala na vysoké vibrace při těchto otáčkách. Tyto vibrace výrazně ovlivňovaly pracovní pohodlí obsluhy a také životnost komponent stroje. 6.3.1 Základní parametry stroje Stroj je poháněn čtyřválcovým vznětovým vodou chlazeným motorem Cummins o objemu 3300 cm3 a výkonu 60 kW. Volnoběžné otáčky motoru jsou nastaveny standardně na otáčky 850 min-1 (14.2Hz), pracovní otáčky pro provoz hydraulického systému jsou nastaveny na 1450 min-1 (24,2Hz) – pozn. změna těchto otáček nebyla doporučena. Omezení maximálních otáček je nastaveno na 2450 min-1 (41Hz). Kabina stroje je provedena jako svařenec z profilů a je spojena se základním rámem za pomoci 4 silentbloků. Otáčení kabiny je realizováno hydraulicky s převodem pomocí ozubeného věnce s vnitřním ozubením a pastorkem. 6.3.2 Provedení měření a průběh vyhodnocení Pro volbu vhodných míst tak rozsáhlé konstrukce jako je kabina stroje se ukázal jako nepostradatelný pomocník jednoduchý Vibropen od firmy SKF. Ačkoliv za pomoci tohoto měřidla jdou určit pouze celkové vibrace v pásmu 10-1000 Hz, tak pro určení vhodných míst pro umístění již mnohem sofistikovanějšího, ale časově náročnějšího měřícího analyzátoru, je 61
naprosto dostačující. Vzhledem k tomu, že strojní zařízení bylo k dispozici pouze velmi omezenou dobu, muselo měření probíhat co nejrychleji, také proto byla vybrána měřící místa s největší vypovídající hodnotou. K tomu byl posloužit již zmíněný Vibropen. Měřící místa jsou znázorněna na obr. 6-6. Největší vibrace byly naměřeny přímo na rámu stroje a to na úchytu kabiny. Umístění této kabiny s rámem stroje je v těchto místech realizováno za pomoci čtyř silentbloků, viz obr. 6-8. Hodnoty celkových efektivních rychlostí vibrací změřených na rámu a po přechodu přes silentbloky na úchytech kabiny jsou uvedeny v tabulce (tabulka 3). Zde lze také pozorovat, že hodnoty vibrací na úchytu kabiny na pravé straně dosahují větších hodnot, než je tomu na rámu stroje. Po srovnání těchto hodnot můžeme usuzovat na vznik rezonance. Také je třeba zkontrolovat funkčnost silentbloků, zda je jejich tlumící účinek v pořádku. Při rozboru jednotlivých spekter můžeme pozorovat dominanci druhého harmonického násobku (obr. 6-7). Dominance druhého harmonického násobku otáčkové frekvence je způsobena použitím čtyřválcového vznětového motoru, u kterého je nejvýraznějším vibračním dějem vznícení a hoření směsi, za jednu otáčku klikového hřídele dojde ke dvěma těmto dějům a proto je nejvýraznější amplituda na druhém násobku otáčkové frekvence (blíže viz kapitola 5.10). Pro vznik rezonance je třeba počítat s možností působení vibrací na konstrukci kabiny od otáčkové amplitudy, ale převážně od nejvýraznější amplitudy na druhém násobku.
Tabulka 3: Efektivní hodnoty vibrací na rámu stroje a na úchytu kabiny v horizontálním směru
Měřící bod 1 (LP) Efektivní hodnoty rychlosti vibrací 1,7 rámu stroje RMS 10 - 1600 Hz [mm/s] Efektivní hodnoty rychlosti vibrací 1,4 úchytu kabiny RMS 10-1600 Hz [mm/s]
2 (LZ)
3 (PZ)
4 (PP)
1,6
1
1,2
1,6
2,1
1,3
Pro zjištění chování kabiny za rozdílných otáček bylo provedeno měření rozběhů (obr. 6-9) přímo na úchytech kabiny a na rámu stroje. Rozborem rozběhů v jednotlivých místech můžeme usuzovat na vznik rezonance hned při několika otáčkách. První vznik rezonance můžeme sledovat na druhé harmonické při otáčkách motoru 1050 a 1800 min-1. Nejvyšší hodnotu amplitudy potom můžeme pozorovat při pracovních otáčkách 1470 min-1. Se zvyšováním otáček vesměs dochází k ustálení stroje a snižování vibrací na druhém harmonickém násobku. Porovnání vibrací v jednotlivých místech můžeme sledovat také na obr. 6-10 Tyto vysoké hodnoty vibrací, zvláště pak při otáčkách 1470 min-1 ovlivňují výrazně životnost celého stroje i pracovní prostředí obsluhy stroje.
62
Obr. 6-6 Znázornění měřených míst levé strany
Obr. 6-7 Spektrum amplitud vibrací na úchytu kabiny [4]
63
Obr. 6-8 Měřící místa úchytu kabiny a rámu
Obr. 6-9 Spektrum rozběhu kabiny pravé strany [4]
64
6.3.3 Modální analýza kabiny Pro ověření rezonančních frekvencí kabiny a srovnání reálných hodnot se softwarovou simulací byl vytvořen upravený 3D model kabiny. Softwarové simulace probíhaly v programu Autodesk Inventor Professional. Pro potřeby simulace a pro snížení náročnosti, které klade členitost konstrukce na hardware, byl výpočtový model poněkud upraven a je třeba počítat s tím, že výsledky simulace budou oproti realitě poněkud zkresleny. Výpočtový model také nezahrnuje některé komponenty vytvořené z problematických materiálů jako je pryž, sklo atd.
Obr. 6-10 Spektrum amplitud vibrací bodů na levé straně kabiny [4]
Po úpravách modelu byly provedeny simulace modální analýzy s následujícími výsledky simulace: mód 1 mód 2 mód 3 mód 4
22,39 Hz 27,86 Hz 54,35 Hz 70,71 Hz
1340 min-1 1670 min-1 3260 min-1 4240 min-1
Softwarová simulace potvrdila přítomnost rezonancí v oblasti pracovního rozsahu otáček stroje. Výsledné tvary kmitů jsou znázorněny na obr. 6-11 a obr. 6-13. Rezonanční chování u módu 1 ÷ 3 je velmi podobné, proto pro představu o chování kabiny stačí uvést pouze jeden obrázek pro tyto modální tvary. Je třeba zamyslet se nad výpočtem a rozebrat výsledky simulace. V tomto případě se jedná o teoretické výpočty bez zadání reálných vibrací působících na konstrukci kabiny (použitý software to neumožňuje). Tyto výsledky by odpovídaly stavu, kdy by kabina byla buzena pouze jednou ideální silou o stejné amplitudě, jako jsou otáčky motoru. Jak již bylo řečeno výše, kabina je buzena převážně otáčkovou složkou, ale často také jejím výraznějším druhým násobkem. Proto je třeba si uvědomit, že rezonančních frekvencí můžeme dosáhnout již 65
mnohem dříve. Předchozí výpočet bude odpovídat buzení otáčkovou složkou. Následující přepočet bude odpovídat rezonancím dosaženým při buzení druhým násobkem otáčkové frekvence při otáčkách motoru, tzv. posunutý mód: posunutý mód 1 posunutý mód 2 posunutý mód 3 posunutý mód 4
11,2 Hz 13,93 Hz 27,18 Hz 35,36 Hz
670 min-1 720 min-1 1630 min-1 2120 min-1
Obr. 6-11 Mód 1÷3 zobrazující tvary kmitů kabiny [4]
Vezme-li v úvahu jednotlivé rezonanční módy a současně i posunuté módy, tak může docházet v rozsahu pracovních otáček motoru ke vzniku až 6 rezonancím. Porovnáme-li jednotlivé výsledky, můžeme si také všimnout velké blízkosti frekvence módu 2 a frekvence posunutého módu 3, jejich rozdíl je skoro zanedbatelný. Z toho lze předpokládat, že dochází k vzájemné kombinaci těchto módů, resp. k jejich vzájemnému sčítání, což se ve výsledku projeví mnohem výraznějšími vibracemi oproti ostatním módům. Jejich vzájemná kombinace by měla mít největší amplitudu na hodnotě otáček 1650 min-1. 66
Pokud rozebereme výsledky simulace a přiřadíme jednotlivým špičkám ve frekvenčním spektru záznamu rozběhu, tak přiřadíme mód 1 otáčkám 1050 min-1, posunutý mód 4 otáčkám 1800 min-1 a kombinace posunutého módu 3 a módu 2 otáčkám 1470 min-1. Pro přehlednost jsou výsledky ještě na obr. 6-12. Posunuté módy 1 a 2 se ve spektru nenacházejí, protože jsou již překonány při startu stroje, resp. při dosažení volnoběžných otáček. 6.3.4 Nápravná řešení pro snížení vibrací Pro napravení současného stavu je možnost použít několik způsobů. V první řadě je možnost omezení působení síly, resp. vibrací na konstrukci kabiny. Kabina je umístěna na 4 silentblocích, které mají nízký tlumící účinek, proto se jeví jako nejjednodušší varianta vyměnit stávající silentbloky Contitech 212706 za obdobný typ Contitech 210470 s větší tvrdostí a s lepší útlumovou charakteristikou. Rozměry těchto silentbloků jsou skoro shodné a pro jejich použití je třeba minimálních úprav. Pro omezení vibrací je vhodné použití lepších tlumících silentbloků nebo tlumících způsobů přímo u motoru. Tyto úpravy by mohly do značné míry omezit velikost vibrací kabiny a výsledná cena za úpravy by byla minimální. Dále lze použít i jednoduchých konstrukčních úprav, které posunou rezonanci mimo pracovní otáčky (1450 min-1). Mezi takové konstrukční úpravy můžeme navrhnout například přidání výztuhy zadní stěny, výztuhy horní časti kabiny, úpravy zadních sloupků kabiny apod. Pro úplné odstranění rezonance by bylo třeba mnohem rozsáhlejších konstrukčních úprav, což by bylo ale finančně náročné. Při příštích návrzích je třeba brát zřetel na rezonanční návrh konstrukce, čímž se zabrání dodatečným problémům.
Obr. 6-12 Spektrum rozběhu kabiny s doplněním [4]
67
Obr. 6-13 Rezonanční mód 4 [4]
68
7
NEDESTRUKTIVNÍ DIAGNOSTIKA – NDT
Nedestruktivní zkoušení (Non-destructive testing – NDT) využívá řadu metod pro odhalení necelistvostí v materiálu, produktu, předmětu nebo systému bez toho aniž by došlo k jejich poškození nebo byla jakkoliv narušena jejich budoucí použitelnost a schopnost plnit předpokládanou funkci. Nedestruktivní metody se používají ke zjišťování necelistvostí materiálů a využívají přiměřenou formu energie nebo způsob pro stanovení materiálových vlastností nebo pro indikování přítomnosti materiálových diskontinuit, které mohou být plošné, vnitřní a skryté.
Obr. 7-1 Zobrazení zařízení pro NDT
7.1
Kapilární metody
Jsou založeny na principu využití tzv. kapilárních jevů, mezi které můžeme zahrnout např. povrchové napětí, viskozitu, kapilární elevaci atd. Postup spočívá v podstatě ve využití vzlínavosti a smáčivosti některých vhodných kapalin – penetrantů. Penetrantem se pokrývá zkoušený povrch a ten postupně vniká do povrchových trhlin. Po ukončení penetrace se přebytky této látky z povrchu odstraní a zbytek vzlíná na povrch, kde za pomoci vývojky je barevně nebo fluorescenčně indikována vada. Velkou výhodou kapilárních metod je jejich jednoduchost aplikace, dále také velká univerzálnost využití, můžeme použít pro různě tvarované plochy, velké rozměry, rozličné materiály. Samozřejmě důležitým kritériem jsou také nízké náklady na prováděné zkoušky a minimální pořizovací náklady. 69
Kapilárními metody lze také použít na kovové materiály, jako jsou barevné a lehké kovy a jejich slitiny atd. Současně jsou použitelné na nekovové materiály, jako jsou plastické hmoty, sklo, glazovaná keramika a řada dalších. Indikace vad, které nejsou s povrchem spojeny, není možná. Indikovat lze pouze povrchové trhliny. Tyto metody nelze použít na pórovité nebo savé materiály. 7.1.1 Rozdělení kapilárních metod Kapilární metody rozdělujeme podle druhu vytvořené indikace a způsobu hodnocení na: Metoda barevné indikace – vady jsou indikovány za pomoci kontrastní barevné indikace, většinou se jedná o červenou na bílém podkladě. Vyhodnocení je prováděno na denním nebo umělém bílém světle. Metoda fluorescenční – indikace vad je indikována za pomoci fluorescenčního penetrantu a ultrafialovému záření, barevná indikace je většinou žlutozelená. Metoda dvojúčelová (duální) – indikace vad je zobrazena podle použitého osvětlení barevnou nebo fluorescenční indikací. 7.1.2 Pracovní postup Každou kontrolovanou plochu za pomoci kapilárních metod je nutno připravit tak, aby na povrchu zkoušeného předmětu byly odstraněny veškeré nečistoty, které by mohly ovlivnit výsledky metody. Na pečlivě očištěnou a připravenou plochu se nanese penetrační prostředek neboli penetrant a nechá se působit dostatečně dlouhou dobu, aby mohl zaplnit materiálové vady na povrchu. Po uplynutí penetrační doby se nadbytečná vrstva penetrantu na povrchu odstraní tak, aby penetrant zůstal v případných trhlinách. Po očištění se za pomoci vývojky zviditelní penetrant, resp. vytáhne na povrch. Vývojka funguje obdobně jako piják, vytáhne na povrch penetrant, který byl původně zatečený do trhlin v materiálu. Dále následuje inspekce, kontroluje se indikace necelistvostí na povrchu. Jako poslední krok se provede očištění zkoušené plochy. Pracovní postup můžeme shrnout v následujících krocích:
Příprava a předčištění Penetrace – nanesení penetrantu Mezičištění – odstranění přebytku penetrantu Vyvolávání – nanesení vývojky Inspekce – kontrola výsledků Vypracování zápisu Konečné čištění
70
7.2
Metody indikace rozptylových polí
Jsou založeny na fyzikálním jevu, který popisuje chování magnetických siločar na povrchu materiálů. Siločáry si můžeme představit jako křivky, které jsou uzavřené mezi dvěma pólovými nástavci. Pokud jsou tyto siločáry přerušeny necelistvostí (trhlinou), dochází ke změně směru siločar. Tuto změnu toku dokážeme zobrazit pomocí detekčních prostředků. Tyto metody jsou určeny pro zjišťování defektů typu trhlin u magnetických materiálů, svarů a podobně. 7.2.1 Zviditelnění rozptylových polí Pro zviditelnění rozptylových polí je využíváno pokrytí celé součásti za pomoci barevného nebo fluorescenčního feromagnetického prášku (oxidy železa, čisté železo atd.) Pokrytí plochy lze provést suchou cestou s ručním nebo elektrostatickým nanesením zrna nebo mokrou cestou s poléváním, nástřikem ze spreje, stříkací pistole, ponořením do nádoby apod. V místě vady se vytváří rozptylové magnetické pole, které působí na magnetické částice v prášku, které jsou přitahovány na místo s největší koncentrací siločar, čímž je identifikována vada materiálu. Pro detekci defektů se využívají různé prostředky, ale nejvíce používané jsou metoda bíločerná nebo fluorescenční. Vytvoření magnetických siločar v materiálu se děje pomocí magnetizačních jeh, různých magnetizačních cívek a podobných přípravků. Metoda bílo-černá se využívá převážně na kontrolu svarů. Pro větší kontrast je svar a jeho okolí nastříkán bílou barvou a po zaschnutí je nanesen černý kovový prášek. Po zmagnetování jsou defekty zvýrazněny nahromaděným černým práškem v místě defektu. Metoda fluorescenční nepoužívá bílý základ jako předchozí metoda pro detekci defektů, používá roztok magnetického prášku, který je fluorescenční. Vizualizace defektů je provedena za pomoci prohlížení pod ultrafialovým světlem. Tato metoda vyžaduje dle kvality použité UV lampy prostředí s minimem denního světla. Identifikace výrazné praskliny za pomoci této metody můžeme pozorovat na obr. 7-2. 7.2.2 Elektrické metody snímání rozptylových polí Pro identifikaci vad se nevyužívá prášek ani tekutina, ale je snímám magnetický tok za pomoci snímacích sond, tudíž je využíván elektrický signál a možnost jeho záznamu. Pro snímání se využívá např. Hallova sonda, feromagnetická sonda apod.
71
Obr. 7-2 Indikace praskliny za pomoci zmagnetovaného fluorescenčního prášku a UV lampy
7.3
Ultrazvukové testování
Metoda ultrazvukové defektoskopie (UT – Ultrasonic Testing) je metoda založená na změnách propustnosti a odrazivosti ultrazvukového signálu vlivem necelistvostí materiálu. Ultrazvuk je mechanické kmitání částic kolem rovnovážné polohy šířící se v pružném prostředí. Frekvenční rozsah ultrazvukového signálu je mimo slyšitelné spektrum, tzn. více než 20 kHz. Pro defektoskopické účely se běžně používají rozsahy 100 kHz až 50 MHz, výjimečně až do 200 MHz. 7.3.1 Metody ultrazvukové defektoskopie Pro ultrazvukovou defektoskopii se nejčastěji používají dvě metody pro zjišťování defektů v materiálu za pomoci ultrazvuku. Metoda průchodová je založená na zeslabení ultrazvuku při průchodu místem s materiálovou vadou. Tato metoda se dále dělí na metodu spojitou nebo impulsovou (obr. 7-3). Pro tuto metodu jsou k zapotřebí dvě sondy, které jsou umístěny proti sobě. První sonda je využita jako vysílač vlnění, druhá jako přijímač vlnění, které prošlo přes zkoušený materiál. Použití průchodových metod je omezeno na součásti, které mají dostupný nebo vhodný protilehlý povrch. Vyhodnocení defektu spočívá ve vyhodnocení akustického poklesu signálu. Aby se omezil vliv útlumu materiálu, tak je nejdříve provedeno měření na místě bez vad, teprve posléze je prováděno standardní měření. Výhodou metody průchodové oproti odrazové je, že ultrazvuk prochází jen poloviční dráhu a tím dochází k jeho menšímu zeslabení. Z tohoto hlediska se průchodová metoda často aplikuje na těžko prozvučitelné materiály, jako je např. guma (pláště pneumatik) apod. 72
Metoda odrazová je založená na získání odrazů od vad v materiálu, tzv. ech. Pro zkoušení materiálu stačí pouze jedna sonda, která je současně vysílač a přijímač. Dle uplynulého času od vyslání ultrazvukového impulsu do příchodu echa zpět do sondy se dá určit délka, resp. tloušťka materiálu. Jistou nevýhodu je, že ultrazvuk musí překonávat dvojnásobnou dráhu pro detekci vady. Také přítomnost tzv. mrtvého pásma omezuje zjišťování defektů při zkoušení povrchu. Proto tuto metodu nepoužíváme na zkoušení tenkých plechů. Pro lepší zjištění chyb v blízkosti zkoušeného povrchu materiálu se používají dvojité sondy. Pro určení správné tloušťky je třeba zadat správnou rychlost šíření ultrazvuku v materiálu, pro toto nastavení nám může sloužit tabulka 4. Vzhledem k tomu, že podobné materiály můžou mít různé složení s rozdílnou rychlostí šíření ultrazvuku v těchto materiálech, používá se pro zpřesnění měření následující postup. Nejprve se za pomoci mikrometru změří skutečná tloušťka daného materiálu. Po zjištění tloušťky materiálu se provede korekce rychlosti šíření ultrazvuku na ultrazvukovém analyzátoru tak, aby výsledná hodnota odpovídala skutečnosti.
Obr. 7-3
a) Kontaktní vazba [16]
Obr. 7-4 a) kontaktní vazba [16]
b) Bezkontaktní vazba [16]
b) vzduchová vazba [16]
73
c) bezkontaktní vazba [16]
Tabulka 4 Rychlosti šíření ultrazvuku v různých materiálech
materiál ocel feritická ocel austenit litina hliník měď mosaz plexisklo polystyrén sklo 7.4
hustota 10-3 kg.m-3 7,80 8,03 7,20 2,70 8,90 8,10 1,18 1,06 2,50
rychlost m.s-1 5920 5500 3500 - 5500 6320 4700 3830 2680 2350 5660
Magnetická paměť materiálu - MMM
Magnetická paměť materiálu (MMM – Metal Magnetic Memory) - jedná se o novou inovativní metodu, která dokáže odhalit koncentrace napětí v materiálu, které vznikají při poškození. Tzn. pokud dochází v materiálu ke koncentraci napětí, resp. k vytváření povrchových i podpovrchových trhlin, tak tato metoda dokáže reagovat na tyto vady a odhalit tak již v prvopočátku vznikající poškození. Reakce této metody je závislá na napětí, které je přítomné na koncích trhliny a přímo souvisí s namáháním trhliny a s potenciálem této trhliny k její schopnosti šířit se. Metoda je založená na měření a analýze rozložení zbytkových magnetických polí v kovových materiálech. Metoda využívá měření intenzity magnetického pole Hp materiálu a její přepočet na gradient magnetického pole dHp/dx s následným vyhodnocením. U metody se většinou vyhodnocuje velikost a strmost gradientu. Pokud je přítomna vada v materiálu, dochází k deformaci magnetického pole. Výhody metody:
Rychlost prováděných měření, velká plocha záběru - dle počtu použitých čidel Opakovatelnost měření Povrch měřeného objektu se nemusí upravovat Můžeme měřit i přes nemagnetické materiály Reakce metody již v počátcích vznikajícího poškození Možnost měření za provozu
Omezení metody: Mezi omezující faktory patří nemagnetické materiály, uměle zmagnetované kovy, přítomnost jiných magnetických materiálů nebo zdrojů magnetického pole v blízkosti měřeného materiálu, cca. jednoho metru. Případně i přítomnost svařování. To vše může omezit nebo naprosto znemožnit použití této metody.
74
Na obr. 7-5 je znázorněn program pro metodu MMM, ve kterém jsou zpracovávány data z měření. Program nabízí celou řadu možností zpracování a znázornění. Software obsahuje celou řadu nastavení a možností zpracování, mezi nejzajímavější můžu uvést například zobrazení 3D pro lepší prostorovou orientaci (obr. 7-28) nebo polární zobrazení pro potrubí, válce, dále různá parametrická zobrazení apod. Zobrazení analyzátoru a snímačů můžeme pozorovat na obr. 7-6 a obr. 7-7.
Obr. 7-5 Zobrazení programu pro zpracování a vyhodnocení měření
7.5
Praktický příklad použití metody MMM pro detekci válců pro válcování trub
V tomto případě se jednalo o časté poškození válců na děrovací stolici Velký Mannesmann válcovny trub, kde docházelo k šíření trhliny a následnému prasknutí válce vtlačujícího ohřátý ingot na trn. Účelem bylo odhalit vznikající poškození, praskliny apod. U některých válců došlo také k zadření ložiska a následnému zničení, vydření povrchu hřídele. Následná oprava byla provedena soustružením povrchu a instalací vymezovacího prstence, což znemožňuje použití některých metod při diagnostice těchto válců.
75
Obr. 7-6 Analyzátor pro metodu MMM - TSC-3M-12
Obr. 7-7 Měřící vozík se čtyřmi čidly (8 kanálů)
Na obr. 7-8 jsou zobrazeny nové válce bez poškození, trhlin a vrypů. Záznam z měření těchto válců můžeme sledovat na obr. 7-9, kde jsou hodnoty gradientu intenzity magnetického pole extrémně nízké, tudíž válce jsou bez jakéhokoliv poškození. Jemné reakce bylo možné pozorovat pouze v oblastech, kde byla velmi mírná povrchová koroze materiálu. Na obr. 7-10 je možné vidět válec s povrchovým opotřebením (s řadou povrchových rýh). Toto opotřebení je možné pozorovat v grafu obr. 7-11, hodnoty již překročily varovných hodnot, také jejich strmost je výrazná. Vzhledem k povaze opotřebení povrchu můžeme 76
konstatovat, že poškození ještě neohrožuje samotný válec. Toto poškození může sice iniciovat šíření vzniklých trhlin, ale tento válec bude povrchově opracován, což sníží možnost dalšího šíření trhlin. Pokud dojde po opracování ke snížení těchto hodnot, tak není válec ohrožen vnitřními necelistvostmi, které by mohly způsobit nečekané problémy.
Obr. 7-8 Pohled na nové válce pro válcování trub
Obr. 7-9 Magnetogram včetně gradientu napětí nového válce
77
Obr. 7-10 Pohled na válec s povrchovým poškozením, opotřebením
Obr. 7-11 Graf gradientu intenzity napětí válce s poškozením
78
7.6
Praktické příklady použití NDT a jejich aplikace na bubny pásových dopravníků
V případě bubnů pásových dopravníků dochází k jejich poškození a postupem času k jejich destrukci vlivem vzniku trhlin a jejich šíření nebo také velmi často celkovým opotřebením, případně ztenčením tloušťky materiálu bubnu pod únosnou mez. Pro tyto případy byly testovány některé metody NDT. Jako nejvhodnější se projevily dvě metody a to měření tloušťky bubnů za pomoci ultrazvuku a také použití nové metody MMM (metoda magnetické paměti kovů). 7.6.1 Praktická aplikace ultrazvukového měření na bubny pásového dopravníku Za pomoci ultrazvukového měření bylo možné sledovat tloušťku bubnu, resp. sledovat míru opotřebení. Použitelnost této metody na bubny pásových dopravníků sebou přináší některá omezení, zvláště pak konstrukční omezení, resp. přístupnost měřících dílů a také nutnost určité čistoty měřených dílů a možnost aplikace vodícího média mezi sondu a sledovaný díl. V případě měření tloušťky za pomoci ultrazvuku je třeba změřit buben ve více místech, protože ztenčení průměru je nerovnoměrné. Často se projevuje největším ztenčením v blízkosti střední roviny válce, ale největší změna tloušťky může být v podstatě kdekoliv. Umístění největšího ztenčení je závislé na vycentrování válce, zpravidla bývá způsobeno úhlovým vyosením bubnu oproti ideální ose rotace, což způsobuje nerovnoměrné zatěžování po délce bubnu a tím i výsledné nerovnoměrné namáhání a s tím související výsledné opotřebení. Opotřebení po délce válce můžeme také sledovat na obr. 7-14, kde za pomoci přiložení rovného příložníku lze sledovat průsvit opotřebení na délce bubnu. Také opotřebení válce po obvodu není konstantní, zpravidla bývá způsobeno excentricitou bubnu. Na obr. 7-12 je vyobrazen postup měření tloušťky bubnu za pomoci ultrazvuku po jeho délce (axiálním směr), část změřených dat je pro přehlednost uvedena v tabulce (tabulka 5). Zde jsou uvedeny změřené hodnoty tloušťky bubnu shora až po nejtenčí místo, přibližně do 2/3 délky bubnu. V tomto případě je nejvíce materiálu na vnějších stranách bubnu (12,1 mm) a nejméně materiálu je přibližně ve 2/3 délky bubnu ve spodní části. Na následujícím obrázku (obr. 7-13) je znázorněno měření tloušťky bubnu na jeho průměru (radiální směr), tyto data jsou pro názornost a lepší přehlednost uvedeny v tabulce (tabulka 6). Měření v radiálním směru probíhalo až po zjištění nejtenčího místa v axiálním směru. Od tohoto místa se posléze postupovalo po směru hodinových ručiček a určilo se tak nejtenčí místo v radiálním směru. Nejtenčí místo má hodnotu 5,58 mm a je již pod doporučenou hodnotou, proto dojde k vyřazení tohoto válce. Jak je vidět z těchto hodnot, tak opotřebení není ani po obvodu válce symetrické, velmi často záleží na excentricitě bubnu ke středu otáčení, případně na řadě dalších okolností.
79
Tabulka 5: Zmenšení tloušťky bubnu na jeho délce (axiálním směr), měřeno shora dolů k nejtenčímu místu [mm]
12,1 10,8 9,97 9,97 9,5
9,2
8,8
8,3
7,75 7,8
7,8
7,72 7,68 7,63 7,57
Tabulka 6: Zmenšení tloušťky bubnu na jeho průměru (radiální směr), měřeno od nejtenčího místa po směru hodinových ručiček [mm]
7,57 7,52 6,94 6,0
5,58 5,82 6,97 7,7
7,74 6,43 6,3
6,4
7,5
7,7
Obr. 7-12 Průběh měření tloušťky bubnu dopravníku za pomoci ultrazvuku (axiálním směr)
80
7,35
Obr. 7-13 Průběh měření tloušťky bubnu dopravníku za pomoci ultrazvuku (radiální směr)
Obr. 7-14 Zobrazení nerovnoměrného opotřebení na délce bubnu za pomoci průsvitu
81
7.6.2 Měření necelistvostí bubnů za pomoci metody MMM Magnetická paměť metalu (MMM) – jak již bylo řečeno, jedná se o novou ojedinělou metodu, která dokáže odhalit koncentrace napětí v materiálu, tzn. pokud dochází v materiálu ke koncentraci napětí, resp. k vytváření povrchových i podpovrchových trhlin, tak tato metoda dokáže reagovat na tyto vady a odhalit tak již na začátku vznikající poškození. Analyzátor včetně čidla pro metodu MMM můžeme sledovat na obr. 7-15. Předchozí ultrazvuková metoda dokáže odhalit také vznikající trhliny, ale vzhledem k velké ploše je z časových důvodů použití ultrazvuku skoro nemožné. To je obrovská výhoda metody MMM, za pomoci které dokážeme velmi rychle zkontrolovat velké plochy. Mezi čidlo a materiál není třeba také vkládat vodící látku jako u ultrazvuku. Metoda MMM má oproti předchozí metodě řadu výhod, další významnou výhodou je např. možnost měřit vnitřní necelistvosti bubnu i přes jiné materiály, např. přes gumový pás dopravníku nebo také přes pogumovaní bubnu dopravníku. V těchto případech nelze ultrazvuk vůbec použít, zatímco metodu MMM lze bez větších obtíží. Na obr. 7-16 je záznam pořízený za pomoci metody MMM. V grafu můžeme ve vodorovném směru nalézt vzdálenost, ve svislém směru je gradient intenzity napětí, v tomto směru se také projevují vady materiálu. Zjednodušeně lze říci, že čím větší a ostřejší je špička v grafu, tím je vada závažnější. Na obr. 7-16 je znázorněn graf gradientu intenzity napětí bubnu dopravníku, který je opotřebován běžným provozem, špičky které jsou v grafu přítomny, jsou způsobeny začínající korozí a prozatím neznamenají žádné výraznější nebezpečí. Na obr. 7-17 a obr. 7-18 jsou fotografie bubnu, kde je přítomna vada. Jedná se o vryp vzniklý při provozu zařízení. I přes poměrně velkou velikost není výrazným nebezpečím pro provoz. Graf gradientu této vady můžeme pozorovat na obr. 7-19. Zde je patrné, že tato metoda dokáže zachytit i tuto nepříliš významnou závadu. I přes poměrně velkou velikost a hloubku vrypu je velikost špičky v grafu poměrně malá, je to způsobeno nízkou koncentrací napětí v tomto vrypu, tzn. vryp oproti trhlině není potenciálně nebezpečný a nemělo by docházet k jeho dalšímu šíření. Kdyby se jednalo o trhlinu nebo prasklinu i s menší velikostí, ale silnou koncentrací napětí, tak špička gradientu by byla mnohem větší, tudíž i pravděpodobnost dalšího šíření a tím i poškození celého zařízení, by byla podstatně větší. Další příklad můžeme vidět na obr. 7-20 až obr. 7-22, kde je zachycena vada na bubnu, kde došlo k poměrně rozsáhlé korozi a úbytku materiálu. V grafu gradientu této vady vzniklé působením koroze (obr. 7-23) lze opětovně vidět obdobný průběh jako v předchozím případě. I v případě koroze dokáže tato metoda reagovat a odhalit místa se vznikem nadměrné koroze i přes nečistoty, gumový pás apod. I přes to, že se nejedná o přímé mechanické poškození, prasklinu nebo vnitřní necelistvost, tak metoda MMM dokáže tyto poškození odhalit. Metoda MMM ukázala, že má výrazné možnosti uplatnění a je schopna detekce vad již při vzniku velmi malých poškozeních. Jedinou nevýhodou v případě aplikace na bubnech pásových dopravníků je, že nedokáže odhalit opotřebení bubnu, resp. zmenšení tloušťky bubnu, protože se nejedná o vznikající koncentraci napětí, ale postupný úbytek materiálu, proto je třeba měřit tloušťku jiným způsobem, např. ultrazvukem. Tato metoda je ještě
82
poměrně neznámou metodou, ale její spolehlivé výsledky a její obrovská možnost použití jistě povede k jejímu většímu rozšíření.
Obr. 7-15 Zobrazení měřící techniky pro metodu MMM
Obr. 7-16 Graf gradientu napětí pořízený metodu MMM – buben bez vady
83
Obr. 7-17 Buben napínací 1200 TP s vyobrazením vady
Obr. 7-18 Buben napínací 1200 TP - detail vady
84
Obr. 7-19 Graf gradientu napětí – buben napínací 1200 TP - detail vady
Obr. 7-20 Buben tažný 1200 TP s vyobrazením vady
85
Obr. 7-21 Buben tažný 1200 TP - detail zkorodovaného místa
Obr. 7-22 Buben tažný 1200 TP - detail odstraněného kusu rzi
86
Obr. 7-23 Graf gradientu napětí – buben tažný 1200 TP - detail vady
7.7
Praktické využití metody MMM při diagnostice pásů
V tomto případě se jedná o možnosti aplikace metody MMM pro odhalení vznikající závady v pásu, resp. poškození tažných ocelových lan v pásu. Pro odhalení tohoto poškození byly vytvořeny některé vzorky pásů se simulovaným poškozením. Na obr. 7-24 je zobrazeno měření na vzorku pásu, který je napaden na krajích pásu silnou korozí. Reakce metody na celém pásu je viditelná na obr. 7-25, kde je možné vidět výraznou reakci na začátku a konci pásu, kde metoda velmi výrazně reaguje na přerušení lana. Co se týče koroze přítomné v různých stupních vývoje, tak v tomto případě nepřinesla metoda očekávané výsledky, což může být způsobeno oproti celistvým materiálům její malou hloubkou působení. Výraznou reakci přinesla až v místech, kde bylo přerušeno několik drátů. V těchto místech je reakce metody velmi výrazná po celé šířce pásu. Detail jedné z vytvořených vad, přerušení drátů + silnou korozi, můžeme sledovat na obr. 7-26. Výrazný graf reakce na jednotlivá poškození můžeme sledovat na obr. 7-27, kde je vidět reakce metody MMM na poškození v jednotlivých místech pásu. V místech s přítomností poškození roste gradient na vysokou úroveň a identifikuje tak místa s poškozením. Pro lepší přehlednost jsou vytvořeny i grafy s 3D zobrazením (obr. 7-28, obr. 7-29), kde je mnohem názorněji pozorovat prostorové poškození po celé šířce pásu. Nová inovativní metoda MMM má širokou oblast použití a možnosti aplikace na řadě zařízení. Prokázala možnost použití i při diagnostice samotných pásů s ocelovými lany i přes určité omezení se metoda jeví jako vhodná pro diagnostiku dopravních pásů. Další možnosti aplikace a především zpřesnění výsledků této metody budou zcela určitě předmětem dalšího výzkumu.
87
Obr. 7-24 Zobrazení měření za pomoci metody MMM na vzorku pásu s korozí
Obr. 7-25 Graf reakce metody MMM na celé délce pásu
88
Obr. 7-26 Detail vady na kraji pásu
Obr. 7-27 Záznam vad metodou MMM po celé šířce pásu
89
Obr. 7-28 Záznam vad metodou MMM po celé šířce pásu – 3D zobrazení
Obr. 7-29 Záznam vad metodou MMM po celé šířce pásu - 3D zobrazení, pohled shora
90
8
TERMODIAGNOSTIKA
S měřením teplot a jejich vyhodnocením se můžeme setkat v nejrůznějších aplikacích a oblastech, například ve strojírenském, automobilovém, stavebním, hutním a potravinářském průmyslu, ve zdravotnictví, u záchranných, policejních a vojenských složek a také v řadě dalších oblastech a aplikacích. Termodiagnostika využívá pro určení technického stavu strojních zařízení sledování teploty, případně rozbory teplotních obrazců – termovizních snímků. 8.1
Základní vztahy a veličiny
Výraz teplota pochází z latinského slova „temperatura ≈ příjemný pocit“ jak sám název napovídá, tak termín teplota vychází ze zvláštního subjektivního pocitu člověka, který je schopen vnímat a také reagovat na teplo, případně chlad. Teplota se neprojevuje jen jako subjektivní pocit, ale i řadou jiných způsobů: např. změna teploty mění rozměry většiny těles (některá se zvětšují, jiná zmenšují). Zvýšením teploty se kovová tyč roztahuje, kaučukové vlákno se zkracuje, plyny mění svůj objem atd. Teplota je jednou z nejdůležitějších stavových veličin ovlivňujících téměř všechny stavy a procesy v přírodě. Teplota je stavová veličina určující stav termodynamické rovnováhy. Fyzikální veličina teplota se nesmí zaměňovat za fyzikální veličinu teplo, neboť teplo je forma energie, která souvisí s pohybem částic dané soustavy těles, ale není stavovou veličinou, neboť nezávisí na přítomném stavu soustavy, ale na celé minulosti vývoje této soustavy. Teplota je jedna z mála veličin, která se nedá měřit přímo, ale pouze prostřednictvím jiných fyzikálních veličin. Měření teploty je tedy měření nepřímé. Měření teploty můžeme rozdělit na dotykové a bezdotykové měření teploty. 8.2
Kontaktní měření teploty
Pro tvorbu této kapitoly byly použity některé informace z literatury [10] [19] 8.2.1 Rozdělení kontaktních teploměrů U kontaktních (také dotykových) teploměrů dochází při měření k přímému styku s měřeným prostředím (objektem). Dotykové teploměry lze rozdělit dle fyzikálního principu funkce na: Dilatační - využívá teplotní roztažnosti tuhých látek, kapalin a plynů.
Kapalinový teploměr – pro měření teploty využívá teplotní roztažnosti některých kapalin (rtuť, etylalkohol, pentanová směs apod.). 91
Bimetalový teploměr – je složen ze dvou pevně spojených kovů s různými teplotními součiniteli délkové roztažnosti. Bimetalový (dvojkový) pás se při změně teploty ohýbá. Tento ohyb závisí na teplotě a je zobrazen na stupnici nebo displeji. Výhodami bimetalických teploměrů je nízká cena, jednoduchá údržba, obsluha a robustní konstrukce. Nevýhodou bimetalických teploměrů je menší rozsah teplot (pouze do 400 °C), menší přesnost (do 1,5 %), pomalá reakce na změnu teploty (musí se prohřát nejen vnější trubice, ale i stočený bimetalický pásek uvnitř). Plynový teploměr – pro měření teploty je využito závislosti tlaku plynu na teplotě při stálém objemu plynu, případně závislost objemu plynu na teplotě při stálém tlaku.
Odporový teploměr - pro měření teploty je využito měnícího se elektrického odporu vodiče nebo polovodiče v závislosti na teplotě. Pro měření teploty se využívá především čistých kovů (platina, měď a nikl) a polovodičů. Platina je nejvhodnějším materiálem pro stavbu měřicích odporů. Teplotní součinitel odporu je poměrně velký a hlavně časově stálý. To umožňuje vzájemnou záměnu měřicích odporů bez dodatečného ověřování. Výhodné vlastnosti platiny řadí platinové odporové teploměry mezi nejpřesnější teploměry. Polovodičové - pro měření teploty je využito měnících se vlastností polovodičových materiálů se změnou teploty. Velmi často je tato změna převáděna na změnu odporu čidla, proto jsou také často řazeny k odporovým. Polovodičové odporové snímače teploty (termistory) využívají změny svého odporu v závislosti na teplotě, obdobně jako kovové odporové teploměry. U polovodičů je dominantní teplotní závislostí koncentrace nositelů náboje. Na rozdíl od teploměrů odporových kovových se může odpor měnit dvěma způsoby:
se vzrůstající teplotou odpor klesá (negativní teplotní koeficient odporu α) se vzrůstající teplotou odpor stoupá (pozitivní teplotní koeficient odporu α)
Termistory jsou oproti kovům asi 10x citlivější, ale jejich charakteristika je výrazně nelineární. Můžou být provedeny jako NTC s negativním součinitelem odporu α a PTC s kladným součinitelem α. Termistory NTC se také nazývaly "negastory", termistory PTC "pozistory". Pro měření teploty se výhradně používají termistory NTC (se zahřátím součástky odpor klesá), proto jim zůstal zjednodušený název termistory. Termistory NTC (negastory) jsou vyráběny práškovou technologií ze směsi oxidů kovů. Termistory PTC (pozistory) jsou víceméně vyráběny technologií tlustých vrstev z feroelektrických keramických látek (např. BaTiO3) nebo použitím cermentových past na bázi uhlíku. Termoelektrické (také termočlánek) - ve kterém se k měření teploty využívá termoelektrický jev, objeveném Seebeckem v roce 1821. Termočlánek je tvořen dvojicí elektricky vodivých drátů různého chemického složení. Je-li spoj těchto drátů (teplý konec termočlánku) zahřát na teplotu vyšší, než je teplota na opačném konci drátů - studený konec) vzniká termočlánkové napětí. 92
Obr. 8-1 Části kapalinového teploměru [13]
Obr. 8-2 Zobrazení bimetalového teploměru
Obr. 8-3 Thermopen TMTP1, kontaktní teploměr s rozsahem -30 až 200 °C
93
Obr. 8-4 Princip termočlánku a schéma zapojení termočlánku [15]
Obr. 8-5 Teplotní závislosti NTC a PTC termistorů a kovových odporových senzorů [10]
94
Indikátory teploty – jejich použití je pouze pro stanovení přibližné hodnoty teploty tělesa. Teplota je stanovena dle limitní hodnoty indikátoru, tzn. teplota na kterou je indikátor navrhnut a při které indikátor změní barvu, teplotu, tvar, skupenství. Přesnost měření výraznou měrou záleží na prostředí, tj. řada parametrů ovlivňujících měření, jako např. rychlost ohřevu, tlak apod. Barevné indikátory můžeme dále rozdělit na nevratné a vratné, kdy dochází k nevratnému poškození nebo kdy je opětovná možnost použití indikátoru.
Keramické žároměrky – jedná se o nevratné deformační indikátory s teplotním rozsahem od 600 °C do 2000 °C. Odstupňování bývá po 10 °C až do 50 °C, přesnost měření ± 15 °C. Tavné indikátory teploty Teploměrové tablety – nevratné indikátory, které se po dosažení kritické teploty roztaví. Rozsah od 40 °C do 1650 °C. Teploměrové kapaliny - nevratné indikátory z keramického prášku rozpuštěného v těkavé kapalině. Nanáší se štětcem nebo sprejem. Po dosažení limitní teploty se značka zředí a rozteče. Rozsah od 40 °C do 1371 °C. Teploměrové tužky - nevratné indikátory z keramického prášku spojeného pojidlem. Stopa nakreslená tužkou se roztaví a ztmavne. Rozsah od 40 °C do 1371 °C. Teploměrové nálepky – nevratné indikátory. Nálepka s adhezívní vrstvou na spodní straně po dosažení teploty zčerná. Rozsah od 38 °C do 316 °C. Barevné indikátory teploty
Chemické barevné indikátory - jsou to složité chemické látky, které při dosažení potřebné teploty změní svoji barvu. Tato změna může být vratná nebo nevratná a může probíhat rychle nebo pomalu. Rozsah od 40 °C do 1000 °C. Teploměrové barvy – jsou provedeny v prášku a teprve před aplikací na měřený povrch se rozmíchají v alkoholu nebo jsou vyrobeny k použití přímo v kapalném stavu. Teplotní rozsah barev je od 40 °C do 1370 °C, přesnost 1 %. Teploměrové tužky - jsou jednozvratné (mají pouze jednu změnu barvy), dvouzvratné (mění svoji barvu při dvou teplotách) nebo reverzibilní (mění svoji barvu při stoupání teploty a při jejím poklesu nabývá původní barvy). Teplotní rozsah do 1400 °C. Používají se pouze pro měření teploty u kovových těles. Teploměrové tablety - při dosažení limitní teploty se změní barva tablety. Teplotní rozsah až 1650 °C.
95
8.3
Teploměrové nálepky – lepí se přímo na měřený materiál, nálepka je tvořena černým kroužkem s bílým středem, tzv. indikačním okénkem. Jakmile je dosaženo limitní teploty, okénko zčerná. Luminiscenční indikátory – indikátory po dosažení limitní teploty změní luminiscenci, to se projeví pod ultrafialovým zářením změnou jasu nebo barvy. Kapalné krystaly - jsou organické sloučeniny, které při ohřevu na určitou teplotu tají a během tání mění své vlastnosti, především index lomu bílého světla.
Bezkontaktní měření teploty
Bezdotykové měření má celou řadu výhod, ale i nevýhod. Použití bezkontaktních způsobů měření se výrazně rozšířilo s rozvojem a dostupností infračervených termokamer. Díky tomuto rozvoji nachází bezkontaktní měření stále nové možnosti uplatnění. Výhody bezdotykového měření teploty:
minimální vliv měřící techniky na měřený objekt měření a vyhodnocení teploty na rotujících nebo pohybujících se objektech měření teploty z bezpečné vzdálenosti, zvláště u elektrických zařízení možnost měření velmi rychlých změn teploty možnost měřit a vyhodnocovat teploty celých povrchů těles
Je však nutné upozornit na nevýhody bezdotykového měření teplot: výrazné ovlivnění změřené teploty při špatném zadání emisivity. výrazné ovlivnění změřené teploty při špatné znalosti a zadání okolních vlivů 8.3.1 Historický vývoj V roce 1800 objevil Sir William Herschel při hledání nového optického filtru pro snížení jasu obrazu v dalekohledu existenci infračervené části elektromagnetického spektra. Když zkoušel různá barevná skla, která velmi podobně snižovala jas, tak zjistil, že některými skly prochází méně slunečního tepla a jinými naopak zase hodně. Později bylo dokázáno, že sklo má pouze omezenou propustnost infračerveného (tepelného) záření, z čehož plyne, že jako optické prvky pro infračervené záření lze používat pouze pro odraz infračerveného záření, nikoliv pro objektiv. Při provádění pokusu zjistil postupné zvyšování teploty barevného spektra od fialové po červenou a také objevil, že při umístění teploměru za viditelné červené spektrum se nachází maximum teploty. Toto maximum je poměrně daleko od červené barvy, v místě které se později začalo nazývat „ič pásmo“ 96
V roce 1830 bylo zjištěno, že krystaly kamenné soli v dostatečné míře propouští infračervené záření. Kamenná sůl se převážně používala pro výrobu optických prvků až do roku 1930, kdy byla objevena technologie výroby syntetických krystalů. S výzkumem materiálů propustných pro infračervené záření se pokračovalo i s vývojem zařízení pro měření teploty. Běžné teploměry se převážně používaly až do roku 1829, kdy došlo k vynálezu termočlánku, který byl několikanásobně citlivější. Další významný pokrok byl učiněn v roce 1880, kdy byl vynalezen bolometr. Toto zařízení je tvořeno z tenkého začerněného proužku platiny, který je připojen na galvanometr. Záření dopadající na platinový proužek zvyšuje jeho teplotu a tím dochází k měřitelné změně elektrického odporu. 8.3.2 Infračervené záření Všechny formy hmoty vyzařují při teplotách vyšších než je absolutní nula tepelné záření ve viditelném i neviditelném pásmu spektra. Část tohoto tepelného záření je vyzářeno jako infračervené záření. Intenzita tohoto záření odpovídá právě teplotě hmoty. Toto záření je způsobeno vnitřním mechanickým pohybem molekul a jeho intenzita závisí právě na teplotě objektu. Infračervené záření je neviditelná část elektromagnetického spektra projevující se tepelnými účinky. Jedná se o záření s vlnovou délkou v intervalu přibližně 0,75 μm až 1 mm – tedy nad oblastí viditelného záření. Viditelné záření, které odpovídá spektrální citlivosti lidského oka, leží v rozsahu vlnových délek cca. 0,38 až 0,75 μm (obr. 8-9). Infračervená oblast elektromagnetického spektra se dělí na různé části. Přesné rozdělení není přesně specifikováno, proto použijeme následující rozdělení, se kterým se můžeme v odborných literaturách setkat nejčastěji: Blízká oblast Krátkovlnná oblast Střední oblast Vzdálená oblast Velmi vzdálená oblast
0,75 µm - 2 µm 2 µm - 3 µm 3 µm - 5 µm 5 µm - 15 µm 15 µm - 1 mm
NWIR (Near Wave IR) SWIR (Short Wave IR) MWIR (Middle Wave IR) LWIR (Long Wave IR) VLWIR (Very Long Wave IR)
8.3.3 Prostup infračerveného záření atmosférou Propustnost atmosféry pro infračervené záření není v rozsahu vlnových délek stejná, ale v různých vlnových délkách se mění. Atmosféra obsahuje látky (plyny, kapaliny i pevné látky), které mají výrazný vliv na zeslabení nebo rozptýlení infračerveného záření. Vlivem rozptýlení záření dochází ke změně směru šíření paprsku, což bývá způsobeno pohlcením částicemi atmosféry a následným vyzářením energie.
97
Je třeba si uvědomit, že atmosféra je složena přibližně ze 78 % dusíkem, 20 % kyslíkem a řadou dalších plynů (helium, oxid uhličitý, vodík atd.). Pro pohlcování infračerveného záření je v atmosféře nejvýznamnější vodní pára, která pohlcuje záření hlavně v blízkosti vlnových délek 1,38 µm, 1,87 µm, 2,7 µm a 6,3 µm. Dále výrazně ovlivňuje propustnost atmosféry oxid uhličitý a také ozón. Oxid uhličitý nejvýrazněji pohlcuje infračervené záření na vlnových délkách 2 µm, 2,7 µm, 4,3 µm a také 15 µm. Na obr. 8-6 je možné pozorovat vlivy atmosféry na průchod infračerveného záření. Vzhledem k těmto omezením propustnosti atmosféry jsou používány jednotlivé termovizní systémy pracující v různých oblastech s vyšší propustností atmosféry. 8.3.4 Emisivita Emisivita je mírou schopnosti daného předmětu vyzařovat energii z povrchu k energii vyzařované černým tělesem o stejné teplotě a stejné vlnové délce energie. Emisivita může nabývat hodnot od 0 (ideální lesklé zrcadlo) do 1,0 (černé těleso). Vztah mezi skutečnou vyzařovanou energií a energií vyzařovanou černým tělesem stejné teploty je znám jako emisivita ε a může mít maximální hodnotu 1 (těleso v tom případě odpovídá ideálnímu černému tělesu). Tělesa s emisivitou menší než 1 se nazývají šedá tělesa. Emisivita je nejdůležitějším parametrem, který výrazně ovlivňuje výslednou změřenou teplotu. Pokud je špatně zadán, tak výsledky měření se můžou výrazně lišit od skutečnosti. Se snižující se emisivitou stoupá potřeba správného zadání emisivity. Emisivita běžných materiálů se často pohybuje v rozmezí od 0,1 do 0,95. Silně vyleštěný povrch má emisivitu povrchu 0,1 nebo i méně, zatímco např. zoxidovaný povrch má emisivitu již mnohem vyšší. Olejové barvy mají emisivitu větší než 0,9 a to nezávisle na jejich barvě ve viditelném spektru. Emisivita lidské pokožky se blíží dokonce hodnotě 1. V následující tabulce (tabulka 7) můžeme sledovat hodnoty emisivity vybraných materiálů. Dále na obr. 8-6 je můžeme pozorovat také závislost emisivity jednotlivých materiálů na vlnové délce. Zde je viditelný nerovnoměrný průběh emisivity materiálů s vlnovou délkou.
98
Obr. 8-6 Absorpce infračerveného záření o různých vlnových délkách při průchodu atmosférou [21]
Pro určení emisivity se používají následující metody: kontaktní metoda metoda využívající materiálu s referenční emisivitou Kontaktní metoda Zjednodušený postup čerpající z ČSN ISO 18434 je následující: a) Termokamera se umístí do požadovaného místa a vzdálenosti od objektu, který je předmětem měření. b) Změří a vykompenzuje se odražená zdánlivá teplota od objektu. c) Termokamera se zaměří a dobře zaostří na měřený objekt. Pokud je to možné, tak se zastaví obraz. d) Využije se vhodná funkce kamery a stanoví se teplota měřeného bodu nebo oblasti. e) Pomocí kontaktního teploměru se změří teplota v bodě nebo oblasti, která byla stanovena za využití předchozích měřících funkcí kamery. f) Bez pohnutí s termokamerou se mění nastavení hodnoty emisivity v termokameře tak, aby teplota vyhodnocená touto kamerou byla stejná jako teplota změřená kontaktním způsobem. Takto určená hodnota emisivity je emisivita měřeného objektu při této teplotě a ve vlnovém pásmu použité termokamery. 99
g) Emisivita se kompenzuje vložením změřené hodnoty emisivity do vnitřního software termokamery. Metoda využívající materiálu s referenční emisivitou Zjednodušený postup čerpající z ČSN ISO 18434 je následující: a) Termokamera se umístí do požadovaného místa a vzdálenosti od objektu, který se má měřit. Termokamera se zaměří a zaostří na měřený objekt. b) Změří a vykompenzuje se odražená zdánlivá teplota od objektu. c) Na povrch, který bude měřen, se do blízkosti měřeného místa nanese referenční materiál se známou emisivitou. d) Do softwaru Termokamery se zadá hodnota emisivity referenčního materiálu. e) Termokamera se zaměří a zaostří na referenční materiál na povrch objektu, je třeba počkat dostatečně dlouho na ustálení teploty, zastaví se obraz a změří a zaznamená se vyhodnocená teplota. f) Termokamera se zaměří a zaostří na povrch měřeného objektu v bezprostřední blízkosti referenčního materiálu. Zastaví se obraz a zaznamená se vyhodnocená teplota. g) Při zastaveném obrazu se mění hodnota emisivity tak dlouho, až bude mít změřená teplota stejnou hodnotu, jako byla teplota na referenčním materiálu. Takto zjištěná hodnota emisivity je emisivita objektu při této teplotě, která byla změřena při použití kamery s daným vlnovým pásmem. h) Emisivita se kompenzuje vložením změřené hodnoty emisivity do vnitřního software termokamery.
Obr. 8-7 Závislost emisivity na vlnové délce [20]
100
Obr. 8-8 Zobrazení pokusu pro odhalení infračerveného pásma [17]
Obr. 8-9 Oblast záření viditelného lidským okem [nm]
101
Tabulka 7: Hodnoty emisivity běžných materiálů [18]
Materiál Hliník, leštěný Hliník, hrubý povrch Hliník, silně zoxidovaný Asbestová deska Asbestová tkanina Asbestový papír Asbestový plát Mosaz, matná, zašlá Mosaz, leštěná Cihla, běžná Cihla, glazovaná, hrubá Cihla, žárovzdorná, hrubá Bronz, porézní, hrubý Bronz, leštěný Uhlík, čištěný Litina, hrubý odlitek Litina, leštěná Uhelný prach Chrom, leštěný Jíl, vypálený Beton Měď, leštěná Měď, komerčně vyleštěná Měď, zoxidovaná Měď, černě zoxidovaná Elektrotechnická páska, černá plastová Železo, za tepla válcované Železo, zoxidované Železo, galvanizovaná tabule, leštěná Železo, galvanizovaná tabule, zoxidovaná Lak, černý, lesklý Lak, černý, matný Lak, bílý Olovo, zoxidované Olovo, červené, práškové Olovo, lesklé Rtuť, čistá Nikl, poniklovaná litina Nikl, čistý, leštěný Nátěr, olejový, průměrný Papír, černý, lesklý Papír, černý, matný
102
Emisivita při 0 °C 0,05 0,07 0,25 0,96 0,78 0,94 0,96 0,22 0,03 0,85 0,85 0,94 0,55 0,1 0,8 0,81 0,21 0,96 0,1 0,91 0,54 0,01 0,07 0,65 0,88 0,95 0,77 0,74 0,23 0,28 0,87 0,97 0,87 0,63 0,93 0,08 0,1 0,05 0,05 0,94 0,9 0,94
8.3.5 Teplota okolí Tento parametr je využit pro kompenzaci vyzářené energie z okolí, která dopadá na měřený objekt a ovlivňuje tak výsledné měření. Vliv dopadající energie je vyjadřován jako tzv. odražená zdánlivá teplota (reflected apparent temperature) i přes to, že technicky není tento termín správný, protože teplota se nemůže odrážet, běžně se tento termín používá. Vliv odražené zdánlivé teploty stoupá se snižující se emisivitou. Čím nižší emisivita bude, tím bude měřené těleso více odrážet infračervené záření dopadající z okolí, vyjádřené jako odražená zdánlivá teplota a tím více bude výsledná změřená teplota závislá na správném zadání emisivity i odražené zdánlivé teploty. Pro určení odražené zdánlivé teploty se používají následující metody: metoda odrazu přímá metoda Metoda odrazu Zjednodušený postup čerpající z ČSN ISO 18434 je následující: i) Na termokameře se nastaví emisivita na hodnotu 1 a vzdálenost na 0. j) Termokamera se umístí do požadovaného místa a vzdálenosti od objektu, který se má měřit. Termokamera se zaměří na měřený objekt. k) Reflektor se umístí do požadovaného místa a vzdálenosti od objektu, který má být měřen. l) Bez změny pozice se termokamerou změří odražená zdánlivá teplota reflektoru. Tato zjištěná teplota je v podstatě tou hledanou od objektu se odrážející zdánlivou teplotou. m) Odražená zdánlivá teplota se kompenzuje vložením hodnoty odražené zdánlivé teploty do vnitřního software termokamery.
Obr. 8-10 Metoda odrazu, 1 – termokamera, 2 – zdroj tepla, který objekt odráží do kamery, 3 – reflektor rovnoběžný s měřeným objektem, 4 – měřený objekt
103
Přímá metoda Zjednodušený postup čerpající z ČSN ISO 18434 je následující: a) Na termokameře se nastaví emisivita na hodnotu 1. b) Termokamera se umístí do požadovaného místa a vzdálenosti od objektu, který se má měřit. Odhadne se úhel odrazu α a úhel dopadu β při zobrazení objektu termokamerou z místa jejího umístění (viz obr. 8-11). c) Termokamera se umístí před měřený objekt tak, aby směřovala na zdroj odrážejícího se záření a byla s objektem v úhlu, který odpovídá úhlu odrazu α (viz obr. 8-12). d) Pomocí termokamery se změří průměrná zdánlivá teplota zdroje. Využije se dostupných funkcí kamery pro určení průměrné teploty oblasti. e) Odražená zdánlivá teplota se kompenzuje vložením hodnoty odražené zdánlivé teploty do vnitřního software termokamery.
Obr. 8-11 Přímá metoda, 1 – termokamera, 2 – zdroj tepla, který objekt odráží do kamery, 3 – měřený objekt, α úhel odrazu, β úhel dopadu α = β
Obr. 8-12 Přímá metoda, 1 – termokamera, 2 – zdroj tepla, který objekt odráží do kamery, 3 – měřený objekt, α úhel odrazu, β úhel dopadu α = β
104
Jak již bylo řečeno výše, je třeba pro správné provádění termovizních měření znát správné hodnoty emisivity a odražené zdánlivé teploty a provést jejich korekci ve vnitřním softwaru kamery. Pro správná měření je třeba brát v úvahu další okolnosti, vlivy, které můžou výrazně ovlivnit měření. Mezi tyto vlivy lze zahrnout vzdálenost od objektu, relativní vlhkost ovzduší, mlhu, déšť, vítr, vliv slunečního záření, různá emisivita jednotlivých materiálů, správné zaostření objektivu apod. Pro kompenzaci těchto vlivů je třeba jistá míra zkušeností. Na obr. 8-13 je znázorněn jeden ze softwarů, ve kterém lze provádět zpracování provedených měření. Zde je také možné dodatečně upravovat hodnoty emisivity, odražené zdánlivé teploty, vliv propustnosti prostředí a celá řada dalších možností úprav a zobrazení. 8.4
Způsoby vyhodnocení termovizních měření
Pro vyhodnocení termovizních měření můžeme využít vyhodnocení srovnávací kvantitativní nebo srovnávací kvalitativní. Vyhodnocení kvantitativní – je metoda založená na hodnocení technického stavu objektů za pomoci stanovení teploty. V terénu je často problém stanovit správnou teplotu, proto poměrně často bývá změřená teplota oproti skutečnosti i s poměrně velkou odchylkou (nepřesností). Tato odchylka je závislá na správném určení a zadání hodnot do vnitřního software přístroje. Je třeba správné určení emisivity, odražené zdánlivé teploty, vlivy prostředí apod. Vyhodnocení kvalitativní – je metoda založená na hodnocení technického stavu objektů za pomoci vyhodnocování a porovnávání termovizních snímků, teplotních map, obrazců. V tomto případě nedochází ke stanovení teploty, ale pouze k analýze teplotních obrazců. Není třeba provádět korekci, resp. určovat emisivitu, zdánlivou odraženou teplotu apod. Je ovšem důležité jako u všech měření, provést správné zaostření objektivu. Analýza obrazců se velmi často provádí u stejných zařízení, pracujících za stejných podmínek. Pak dochází k vyhodnocení teplotních obrazců za pomoci srovnávání jednotlivých snímků zařízení. Výsledným zjištěním může být odhalení závady, ale bez zjištění teploty nelze určit její stupeň závažnosti. Tato možnost odhalení poruchy se dá s výhodou využít pro závady typu přehřívajícího se drátu ve svazku nebo odhalení přetížené fáze ve srovnání s ostatními, hledání studených nebo špatně utažených spojů, mezizávitový zkrat na vinutí apod.
105
Obr. 8-13 Příklad softwaru pro vyhodnocení termovizních snímků
8.4.1 Termodiagnostika ve stavebnictví Ve stavebnictví se využívá měření za pomoci IČT kamer především na zobrazování tepelných mostů, tepelných úniků budov. Tyto měření se velmi často provádějí nad ránem, ještě dříve než může slunce ovlivnit měření. Pokud slunce svítí a zahřívá stěnu budovy, tak neměříme úniky tepla, ale zahřívání budovy od slunce, což není účelem. Pro brzké ranní měření nahrává také fakt, že větrání a otvírání balkonových i vchodových dveří je minimální. Také vítr v tuto dobu bývá velmi často na minimální úrovni. Pro měření je také vhodný minimální teplotní rozdíl mezi vnitřní a venkovní teplotou 20 °C. Je třeba počítat s tím, že u tak velké plochy jako je stěna budovy, bude ovlivňovat měření v různých místech různá odražená zdánlivá teplota z okolí. Na následujících termovizních snímcích můžeme pozorovat nejrůznější chyby, které zapříčiňují úniky tepelné energie. Na obr. 8-14 jsou zobrazeny dveře se špatným těsněním. Venkovní teplota je přibližně -5 °C, přičemž teplota v poměrně velké ploše v blízkosti špatné izolace je 7,5 °C, což znamená výrazné tepelné úniky. Na obr. 8-15 je mimo jiné možné pozorovat místo s nejvyšší teplotou, tentokráte se nejedná o stavební vadu, pouze o nepříliš vhodně provedené utěsnění dřívější digestoře. Dále je možné pozorovat opětovně nepříliš vhodné těsnění v některých oknech, včetně úniku energie sáláním z radiátoru. Na obrázcích obr. 8-16 a obr. 8-17 je zobrazena špatná funkce těsnění, v tomto případě se jedná 106
o kombinaci vadného těsnění včetně zkroucení rámu. Na obr. 8-18 je vidět špatné provedení vyplnění míst mezi skleněnými materiály. Vzhledem k špatné dostupnosti horních míst nebylo provedeno dostatečně zaplnění míst mezi těmito skleněnými materiály. Na obr. 8-19 je zobrazen termogram špatně zazděného okna. Vlivem špatného zazdění a nedostatku materiálu v rohu, dochází v rohu ke kondenzaci vody a tvorbě plísní, při nízkých venkovních teplotách docházelo v rohu dokonce k tvorbě námrazy. 8.4.2 Termodiagnostika ve strojírenství Ve strojírenství se dá termodiagnostika využít pro sledování teploty, resp. pro sledování technického stavu ložisek, pro sledování technického stavu spojky, resp. správného ustavení. Pokud bude zařízení špatně ustaveno, bude muset nesouosost kompenzovat sojka, což povede k výraznému zahřívání a opotřebování spojky, současně bude docházet k energetickým ztrátám. Dále můžeme za pomoci termovizních měření odhalit na elektromotorech mezizávitový zkrat, což se projevuje místním přehříváním na povrchu. Termovizní snímek motoru můžeme sledovat na obr. 8-20. Při vyhodnocení těchto snímků musíme mít na paměti, že odražená zdánlivá teplota nemusí být zrovna teplota okolí, ale např. v okolí hřídele se výrazně podílí teplota pocházející z vinutí nebo samotného motoru a odražená od spojky (viz obr. 8-21). Zkreslení bude samozřejmě výrazně závislé na emisivitě spojky a elektromotoru. 8.4.3 Termodiagnostika v elektrotechnice a jiných odvětvích Termovizní měření se dají velmi dobře využít při vyhledávání elektrických problémů. Velká výhoda je, že měření probíhají v dostatečné vzdálenosti a nehrozí tak úraz elektrickým proudem. Diagnostikovat se dají přetížené, přehřívající se kabely, studené spoje nebo nedotažené spoje s velkým přechodovým odporem, zkratované vinutí, špatná funkce izolace apod. Na obr. 8-24 je znázorněno přehřívání jističe, které je z velké části způsobeno špatným utažením kabelů. Životnost izolace prudce klesá s rostoucí teplotou, proto je třeba nepřekračovat dovolenou hodnotu projektované teploty vodičů. Dále se můžeme setkat s využitím termodiagnostiky v řadě oborů a aplikacích, např. v letectví, kde se dá využít k diagnostice prasklin voštinových konstrukcí. Pokud by se jednalo o prasknutí pláště, došlo by ke srážení vody uvnitř konstrukce. Voda by pak při ohřívání pláště (za definovaných podmínek zkoušky) způsobovala místní ochlazení, což by bylo možné odhalit. Na obr. 8-24 je zobrazen termosnímek výškovky letadla, kde můžeme pozorovat bod s teplotou 31,9 °C. Toto ochlazení není způsobeno prasklinou a přítomností vody, ale přítomností nahromadění materiálu, zřejmě se jedná o barvu. Pokud by bylo přítomno poškození, byla by oblast ohraničena tvarem voštiny. Ostatní studená místa jsou způsobena umístěním šroubů, takže s poškozením nemají souvislost. Dále můžeme nalézt uplatnění např. v lékařství, kde lze identifikovat různé záněty, neprokrvenost, některé nádory, při měření teploty pacientů apod. Zánět nohy můžeme pozorovat na obr. 8-26, kde je zvýšená teplota na noze se zánětem. Dále lze využít 107
termodiagnostiku při odhalování prasklin nebo uložení teplovodních potrubí (obr. 8-25), pro identifikaci výšky hladiny v uzavřených nádobách, při diagnostice brzd, při vyhledávání ztracených osob, pro vyhledávání vozidel i odstřelovačů viz obr. 8-22, pro zobrazení tzv. tepelné pohody skotu a v řadě dalších aplikacích a odvětvích.
Obr. 8-14 Termovizní snímek špatně provedeného utěsnění dveří
Obr. 8-15 Celkový pohled na termovizní snímek budovy
108
Obr. 8-16 Špatné okenní těsnění
Obr. 8-17 Špatné těsnění balkonových dveří
109
Obr. 8-18 Špatné stavební provedení
Obr. 8-19 Špatné provedení zazdění okna
110
Obr. 8-20 Termovizní snímek elektromotoru
Obr. 8-21 Termovizní snímek spojky elektromotoru
111
Obr. 8-22 Zobrazení zahřívání zbraně při střelbě
Obr. 8-23 Přehřívání jističe
112
Obr. 8-24 Zobrazení termovizního snímku výškovky letadla
Obr. 8-25 Teplovodní potrubí v zemi
113
Obr. 8-26 Zobrazení zánětu nohy, včetně špatného prokrvení prstů
8.4.4 Praktické příklady termovizních měření na pásových dopravnících Jednou z metod přinášející při technické diagnostice pásových dopravníků prakticky okamžitě spolehlivé výsledky je možné uvést termografii, resp. termovizní měření. Tato metoda za pomoci termokamer dokáže velmi rychle a spolehlivě odhalit poškození válečků nebo tření pásu o zadřené válečky, případně o konstrukci. Nevýhodou této metody ovšem je, že toto poškození dokáže odhalit až v poslední fázi poškození válečků, resp. v poslední fázi životnosti ložisek válečků, kdy poškození je již tak vysoké, že dochází k výraznému místnímu zahřátí válečku. Proto je při použití termokamery třeba provádět časté inspekce, aby nedošlo k zadření válečku v mezičase mezi intervaly jednotlivých měření. I přes tuto zjevnou nevýhodu má měření za pomoci termokamer řadu výrazných výhod. Nejdůležitější výhodou se jeví rychlost a snadnost aplikace této metody. Pokud vezmeme v potaz, jak velké množství válečků je použito na pásovém dopravníku, tak dojdeme k vysokým počtům. Měření každého válečku samostatně za pomoci např. vibrodiagnostiky by bylo časově značně náročné a vzhledem k přítomnosti řady rušivých signálů by ve výsledku nemuselo přinést ani očekávaný přínos. Na následujících obrázcích můžeme pozorovat některé základní možnosti použití termokamer. Na obr. 8-27 a obr. 8-28 je znázorněno teplotní pole konstrukce pásového dopravníku, pořízené za pomoci termokamery. V těchto případech můžeme pozorovat, jak se pás tře v různých místech o konstrukci dopravníku. Vzhledem k tomu, že se jedná o hlubinný důl, tak se jedná o závažný problém, který je třeba odstranit. Na druhém obrázku je také 114
patrno, že tření pásu o konstrukci již dokonce způsobilo zeslabení konstrukce. Tření pásu o konstrukci má neblahý vliv na životnost pásu, konstrukce a dalších konstrukčních uzlů. Velké tření může v konečné fázi způsobit požár, případně i výbuch v hlubinných dolech, proto je třeba tyto stavy eliminovat. Tření pásu o váleček dopravníku můžeme pozorovat na obr. 8-29, kde již došlo k zadření válečku a k tření mezi těmito komponentami. V tomto případě se jedná o váleček ze spodní větve, takže namáhání ani vývoj tepla není naštěstí tak výrazný jako u zatížených válečků ve vrchní větvi, kde je pás ještě přitlačován gravitační silou dopravovaného materiálu. Za pomoci termokamery můžeme velmi rychle porovnat a diagnostikovat velké množství válečků a to i na větší vzdálenosti. Nemusíme většinou také řešit problém s přístupností a bezpečností při měření, jako je tomu u řady metod, kdy musíme přiložit snímač co nejblíže sledovanému místu, viz obr. 8-30. Zde je také možné pozorovat již mírné zvýšení teploty ložiska válečku. Je třeba tento váleček sledovat, protože se u něj bude teplota postupně zvyšovat. Na obr. 8-31 a obr. 8-32 jsou termovizní snímky převodovky pro pohon pásového dopravníku. Na prvním snímku lze pozorovat místní zvýšení teploty špatně seřízené brzdy, kde opětovně nadměrným třením vzniká místní zvýšení teploty tohoto dílu. Pro identifikaci obdobných dějů, kde dochází ke vzniku místního oteplení, je aplikace termokamer velmi účelná. V některých případech je využití termokamery velmi omezené nebo výsledky jsou nepřesné, případně termokameru nelze vůbec použít. Na obr. 8-32 je znázorněna převodovka pohonu pásu s již výrazně rozvinutou závadou ložiska (na obr. vlevo), zvýšení teploty na převodovce na straně s vadným ložiskem je v tomto případě pouze o 0,5 °C oproti straně s dobrým ložiskem. Tento nepatrný rozdíl je často také zkreslen usazenými prachovými částicemi, povětrnostními podmínkami apod. Proto je vhodné používat na obdobné aplikací jiné diagnostické metody a postupy, případně jejich kombinace, potom se jedná o tzv. multiparametrickou diagnostiku.
115
Obr. 8-27 Znázornění tření pásu o konstrukci dopravníku
Obr. 8-28 Znázornění tření pásu o konstrukci dopravníku s vydřeným místem
116
Obr. 8-29 Znázornění tření pásu o váleček ve spodní větvi dopravníku
Obr. 8-30 Umístění válečku dopravníku za mřížkou
117
Obr. 8-31 Zobrazení převodovky pohonu pásového dopravníku s přidírající se brzdou
Obr. 8-32 Zobrazení převodovky pohonu pásového dopravníku se závadou ložiska
118
9
TRIBODIAGNOSTIKA
Tribodiagnostika je metodou technické diagnostiky, která využívá k objektivizaci technického stavu mazivo. V našem běžném životě můžeme nalézt analogii pro tribodiagnostiku s případem, kdy odebírá lékař vzorek krve a z něj je posléze vyhodnocen zdravotní stav pacienta. Mazivo stroje můžeme označit jako “krev stroje“, kde podle vyhodnocení stavu maziva za pomoci různých metod můžeme zjistit následující: Degradaci samotného maziva Technický stav strojního zařízení Prostřednictvím maziva můžeme sledovat změny kvality samotného maziva, resp. jeho degradaci (stárnutí), čímž máme možnost určit životnost maziva, případně možnost provádět vhodné zákroky pro prodloužení životnosti tak, abychom prováděli výměnu maziva až po vyčerpání jeho skutečné životnosti. Pro degradaci maziva používáme následující testy:
Kinematická viskozita Bod vzplanutí Obsah vody Číslo celkové alkality a kyselosti Conradsonův karbonizační zbytek Kapková zkouška Celkové znečištění Mechanické nečistoty Spektrální analýza olejů
Pro určení technického stavu strojního zařízení používáme následující: Metody pro stanovení koncentrace otěrových kovů:
Atomová spektrofotometrie Atomová emisní spektrofotometrie Atomová absorpční spektrofotometrie Polarografie a voltametrie Metoda RAMO
Metody pro hodnocení morfologie a distribučního rozdělení částic kovů: Částicová analýza neboli ferografie s vyhodnocením Feroskopickým (morfologie a chemické složení) Ferodenzimetrickým (distribuce vzhledem k velikosti) 119
9.1
Kinematická viskozita
Viskozita je jedním z hlavních údajů mazacích olejů, dle kterého je provedeno základní rozdělení olejů. Viskozita určuje míru vnitřního tření maziva. V podstatě se jedná o snahu maziva zůstávat v mazaném místě a vytvářet mazací film, čímž zabraňuje dotyku třecích ploch. V průběhu provozu může docházet ke zvyšování i snižování viskozity. Zvyšování viskozity bývá způsobeno meziprodukty oxidační povahy, vytvářením emulze těchto produktů s vodou. Snižování viskozity bývá způsobeno záměnou olejů, vniknutím paliva u motorových olejů apod. V případě nízké viskozity může docházet ke špatnému oddělení třecích ploch a vzniku smíšeného až suchého tření, což vede k rychlému opotřebení, případně až k zadření zařízení. Vysoká viskozita vede k vyšším ztrátám energie, ke zmenšení průtoku maziva a tím ke snížení chlazení mazaného místa apod. Při změně teploty maziva o 1 °C dojde ke změně viskozity o cca. 5 %. Vlastní měření viskozity se většinou provádí při teplotách 40 a 100 °C, např. za pomoci viskozimetrů typu Ubbelohde, Cannon-Fenske, Pinkevič, Kössler apod. Tyto viskozimetry jsou kapilárního typu a kinematická viskozita se potom vypočítá ze vztahu: ν=c.τ c … konstanta viskozimetru τ … aritmetický průměr doby průtoku viskozimetru
[mm2 · s-1]
(9-1)
Viskozita oleje by se během provozu neměla změnit více než o ± 20 %, zařízení pro vytvoření potřebné teploty (viskozitní lázeň) je zobrazeno na obr. 9-1, detail viskozimetru je zobrazen na obr. 9-2.
Obr. 9-1 Viskozitní lázeň
Obr. 9-2 Viskozimetr Ubellohde 120
9.2
Bod vzplanutí a hoření
Teplota bodu vzplanutí je důležitým jakostním i bezpečnostním ukazatelem použitelnosti nových maziv. U použitých olejů je pokles teploty bodu vzplanutí ukazatelem přítomnosti zřeďujících látek, zpravidla se u motorových olejů jedná o průnik paliva do oleje (benzín, nafta). Podrobný popis zkoušky je popsán v ČSN EN ISO 2592 – Stanovení bodu vzplanutí a bodu hoření – Metoda otevřeného kelímku podle Clevelanda. Bod vzplanutí je nejnižší teplota, při které zahříváním v předepsaném přístroji (viz obr. 9-3) a za předepsaných podmínek zkoušky přechází z oleje do ovzduší nad hladinou oleje již tolik par, že vzniklá směs při přiblížení zkušebního plaménku vzplane a opět zhasne. Pro stanovení bodu hoření se ve zkoušce pokračuje až do fáze, kdy při přiblížení zkušebního plaménku dojde k zapálení par a k jejich hoření nepřetržitě po dobu minimálně 5 s.
Obr. 9-3 Přístroj s otevřeným kelímkem dle Clevelanda
Bod vzplanutí se u motorových olejů pohybuje přibližně v rozmezí 190 °C až 235 °C. Pro provedení zkoušky je zapotřebí přibližně 100 ml oleje. Zkouška se provádí v předepsaném zařízení na místě, které je chráněno od průvanu a je poměrně tmavé, aby bylo možné dobře sledovat vzplanutí par. Velikost zkušebního plaménku se nastaví na velikost 3,2 – 4,8 mm. Při zkoušce dochází k zahřívání olejového vzorku nejprve rychlostí v rozmezí 14 - 17 °C/min. Při dosažení teploty zkoušeného vzorku přibližně 56 °C pod předpokládaným bodem vzplanutí, se sníží rychlost ohřevu na 5 – 6 °C/min. Při teplotě nižší alespoň o 23 °C ± 5 °C pod očekávaným bodem vzplanutí se začne zavádět v jednom směru zkušební plamének po dobu 1s a to v těsné blízkosti nad okrajem kelímku. Zavádění plaménku se děje vždy při nárůstu teploty o 2 °C. Výsledek se stane neplatný, pokud nebyl zkušební plamének zaváděn již při teplotě minimálně o 18 °C nižší, než je změřená teplota bodu vzplanutí. 121
9.3
Obsah vody
Přítomnost vody v mazivu má výrazný vliv na znehodnocení kvality maziva. Samozřejmě přítomnosti stopového množství kondenzující vody nelze v běžných aplikacích v podstatě zabránit. Voda výrazně snižuje kvalitu mazacího filmu a způsobuje korozi součástí. Voda se v olejích rozpouští jen ve velmi omezeném množství. Při přítomnosti většího množství vody v oleji se olej zakalí, posléze dochází k vylučování prvních nerozpustných podílů vody, které se pak vylučují na dně olejové nádrže nebo ve spodních částech olejového systému. Jako limitní množství vody se obecně vžila hodnota 0,2 % hmotnostního obsahu vody. Pro zjištění přítomnosti vody v oleji můžeme využít kvalitativní způsob zjištění přítomnosti vody nebo pro určení množství vody můžeme využít některý z kvantitativních způsobů. Přítomnost vody v mazacím a hydraulickém oleji způsobuje:
Pěnění oleje Tvorbu emulze Korozi součástí Vypadávání aditiv Zvyšování viskozity Snižování oxidační stability oleje Tvorbu kalů
9.3.1 Kvalitativní způsoby zjištění přítomnosti vody Jedná se o zjištění přítomnosti vody v oleji, ale bez stanovení skutečného (kvantitativního) množství vody nebo pouze s orientačním stanovením množství vody. Vizuální zkouška Posouzení závisí na subjektivním vyhodnocení a zkušenostech pracovníka, který zkoušku provádí. Zkoušku lze použít pro málo znečištěné oleje, aby bylo možné pozorovat zakalení vzorku. Podstata zkoušky spočívá ve vizuálním posouzení zakalení vzorku oleje. Pokud je ve vzorku přítomno již množství vody o koncentraci přibližně 0,025%, dojde při řádném protřepání vzorku k jeho zakalení. Pokud je voda přítomná v nižší koncentraci, je olej čirý. Prskací zkouška Pro provedení zkoušky je třeba mít k dispozici vyhřátou zkušební plochu na 180 °C, na kterou se kápnou dvě až tři kapky oleje. Pokud je přítomna voda, tak dochází k tvorbě bublin již od obsahu vody 0,02 % hmotnostního. Pokud má obsluha k dispozici vzorky s předem definovaným množstvím vody, tak může s výhodou porovnávat nebo ověřovat chování oleje při různých koncentracích vody. Teplota 180 °C je důležitá z důvodu správného zvukového i vizuálního efektu a opakovatelnosti měření, resp. možnosti správného porovnání jednotlivých vzorků. Při obsahu 0,1% vznikají drobné bublinky (0,5 mm) po dobu 1 až 2 s, při obsahu 0,2 % vznikají drobné bublinky (1 mm) po dobu přibližně 3 s.
122
I přes svou jednoduchost dokáže tato metoda přinášet požadované výsledky, současně je závislá na zkušenostech a na subjektivním vyhodnocení obsluhy. Pokud má obsluha patřičné zkušenosti, případně potřebné pomůcky, dokáže během velmi krátké doby dosáhnout velmi dobrých výsledků, také rychlost a možnost provedení přímo na místě je výhodou této metody. 9.3.2 Kvantitativní způsoby stanovení množství vody v olejích Jedná se o přesné číselné určení koncentrace vody v oleji. Coulometrická metoda Jedná se o určení i stopové koncentrace vody v oleji pomocí metody definované K. Fischerem. Metoda je založena na titraci jódu J2, který je v titrační nádobce udržován na konstantní úrovni za pomoci průchodu el. proudu. Pokud dojde k nanesení vzorku oleje do nádobky, který obsahuje vodu, tak bude docházet k reakci mezi jódem a vodou až do doby, kdy je veškerá voda spotřebována. Po titraci je množství volného jódu vráceno na původní udržovací hodnotu. Při reakci reaguje právě jeden mol jódu s jedním molem vody, takže 1 mg vody je ekvivalentní náboji 10,71 A·s. Pro určení koncentrace vody ve vzorku je třeba znát přesnou hmotnost naneseného množství vzorku. Pro tento účel je třeba mít k dispozici váhy s přesností ± 0,1 mg. Přístroj pro coulometrickou titraci včetně softwaru je znázorněn na obr. 9-4. Přístroj je opatřen titrační nádobkou, ve které je umístěna generační a indikační elektroda.
Obr. 9-4 Coulometer WTD, přístroj pro coulometrické stanovení vody v oleji dle K. Fischera
Destilační zkouška Není tak citlivá jako předchozí metoda coulometrická. Umožňuje kvantitativní stanovení množství vody přibližně od 0,02%. Provádí se destilace např. s xylenem. 123
9.4
Číslo alkality a kyselosti
Přítomnost kyselin v olejích způsobuje korozi a proto je jejich přítomnost v olejích nežádoucí. Mimo korozi způsobuje kyselost oleje také změnu viskozity, což přispívá k opotřebení součástí. Kyselost nových olejů může pocházet z některých aditiv, např. z antioxidantů. Další kyselé látky vznikají během provozu při oxidační degradaci oleje. U motorových olejů dochází k výraznému vzniku kyselých látek (minerálních kyselin) při spalování paliva. Vzhledem k tomu, že číslo kyselosti je jediným ukazatelem zohledňujícím stárnutí olejů, je třeba věnovat patřičnou pozornost jeho stanovení. Číslo celkové alkality Je označováno zkratkou TBN (Total Base Number) a je ukazatelem celkové alkality maziva, resp. obsahu organických a anorganických látek zásadité povahy v oleji. Tyto zásadité látky mají schopnost neutralizovat vzniklé kyseliny. Číslo celkové alkality je udáváno jednotkou mg KOH/g a udává množství kyseliny chloristé, vyjádřené počtem miligramů hydroxidu draselného, které je třeba k neutralizaci všech zásaditých složek, přítomných v 1 g vzorku oleje. Číslo celkové alkality vypovídá o tom, zda olej disponuje detergentně disperzními vlastnostmi a jestli má ještě schopnost neutralizovat kyselé látky přítomné v oleji. Hodnota TBN určuje u motorového oleje jeho schopnost udržet motor v čistém stavu a také schopnost neutralizovat kyselé látky. Limitní hodnota TBN pro výměnu oleje by neměla klesnout pod 50 % hodnoty čistého oleje. Další kritérium doporučuje, že hodnota TBN během provozu nesmí být nižší než hodnota čísla celkové kyselosti TAN, aby nedošlo ke koroznímu napadení vnitřních součástí. Číslo celkové kyselosti Je označováno zkratkou TAN (Total Acid Number) určuje obsah volných kyselých složek v čerstvém nebo upotřebeném mazivu, resp. určuje nárůst látek kyselého charakteru vznikajících v důsledku termooxidačních a jiných dějů. TAN je definováno jako množství KOH v mg, které je potřebné na neutralizaci všech kyselých složek obsažených v 1 gramu vzorku oleje. Číslo celkové alkality a kyselosti se stanovují za pomoci potenciometrické titrace. Přesnost obou parametrů je stanovena max. ± 10% stanovené hodnoty. 9.5
Conradsonův karbonizační zbytek
Conradsonův karbonizační zbytek (CCT) určuje náchylnost oleje k tvorbě uhlíkatých zbytků při působení vysokých teplot. Vysoké hodnoty CCT při provozu oleje určují tendenci ke zvýšení tvorby úsad. Velmi často dochází u spalovacích motorů k tvorbě úsad na pístních kroužcích, v hlavě motoru apod. Při zkoušce dochází k termickému rozkladu oleje bez přístupu vzduchu za předepsaných podmínek zkoušky. Hodnotí se hmotnostní zbytek po spálení ku navážce původní hmotnosti oleje. Hodnota se vyjadřuje v hmotnostních procentech s přesností ± 10 % stanovené hodnoty.
124
Vlastní CCT zkoušeného ropného produktu (x) v procentech se pak určuje:
x
A1 100 A2
[%]
(9-2)
A1 … hmotnost CCT [g] A2 … původní navážka vzorku [g] 9.6
Kapková zkouška
Je to orientační rychlá metoda pro zjištění stupně znečištění oleje. Interpretace výsledků je do značné míry závislá na subjektivním posouzení obsluhy a na zkušenostech a znalostech této osoby. Výsledek zkoušky nemusí být bohužel vždy jednoznačný, výhodou zkoušky ovšem je její rychlost a jednoduchost. Postup spočívá v nanesení kapky dobře zhomogenizovaného vzorku oleje na vypnutý filtrační papír a ve vyhodnocení rozsahu, tmavosti a struktury skvrny, kterou způsobí vsáknutí kapky oleje na filtračním papíru. Tato zkouška je nositelem informace o velikosti znečištění maziva, o jeho detergentně-disperzních vlastnostech, o přítomnosti vody, glykolu apod. 9.7
Celkové znečištění
Jedná se o smluvní zkoušky a jejich výsledky záleží na principu použité metody. Tyto metody zjišťují celkový obsah znečištění oleje termooxidačními zplodinami, mechanickými i jinými nečistotami. Pro stanovení celkového znečištění se používají následující metody: Metody stanovení mechanických nečistot První metoda je založena na filtraci vzorku na membránovém ultrafiltru za pomoci podtlaku. Stanovení obsahu nečistot je stanoveno z přírůstku na ultrafiltru. Druhá metoda využívá stejný princip jako první metoda, ale je rozšířena o stanovení mikroskopické velikosti a počtu částic nečistot. Měření množství a velikosti nečistot Jedná se o stanovení kódu čistoty (dle ČSN 65 6206, ISO 4406), který odpovídá stupni znečištění a definuje množství pevných nečistot v kapalinách. Kód čistoty je složen ze dvou čísel, např. 21/18. První číslice reprezentuje počet částic rovných nebo větších než 5 μm v 1 ml oleje. Druhá číslice reprezentuje počet částic rovných nebo větších než 15 μm v 1 ml oleje. Celkové znečištění Jedná se o smluvní zkoušky a jeho vyjádření závisí na použité metodě. Např. při měření dielektrických vlastností oleje se určuje celkové znečištění mechanickými nečistotami a termooxidačními produkty. U fotodenzimetrické metody dochází k určení také celkového znečištění a principem je měření zeslabení záření, které prochází vzorkem. 125
9.8
Spektrální analýza
Jedná se o optickou metodu, která využívá infračervenou spektrometrii pro spektrální analýzu olejů. Odraz infračerveného záření od zkoušené kapaliny způsobuje jejich vybuzení (excitaci) na vyšší vibrační hladiny (absorpční spektrometrie). Při tomto působení dojde k pohlcení záření s určitými hodnotami energie a ve spektru vznikají tzv. vibrační absorpční pásy. Umístění těchto vibračních pásů je charakteristické pro určité prvky nebo sloučeniny, proto lze identifikovat jejich výskyt i úbytek v kapalině. 9.9
Atomová spektrofotometrie
Patří do skupiny metod, které určují nejen degradaci samotného maziva, ale také samotný stav strojních zařízení za pomoci vyhodnocení koncentrace látek obsažených v oleji a to zejména kovů pocházejících z opotřebení součástí daného stroje. Atomová spektrometrie využívá pro konverzi testovaného vzorku na světelné záření, které se posléze vyhodnocuje, dodání energie tepelné, elektromagnetické, chemické, případně elektrické. Tato metoda se rozděluje na spektrometrii emisní a absorpční. Atomová emisní spektrofotometrie (AES) vyhodnocuje záření, které je způsobeno dodáním energie vzorku (spálením za pomoci plamene, el. oblouku apod.). Při vyhodnocení určujeme kvalitativní i kvantitativní složení testovaného vzorku ve spektru. Pod pojmem spektrum rozumíme soubor frekvencí, resp. vlnových délek záření, které vzorek při spalování vysílá. Kvalitativní vyhodnocení je dáno počtem a hodnotami charakteristických frekvencí, kvantitativní složení poměrným rozdělením intenzity záření na tyto frekvence. Atomová absorpční spektrofotometrie (AAS) vyhodnocuje záření, které prochází přes zkoumaný vzorek, kde dochází k absorpci jistých vlnových délek. Princip metody vychází ze zákona, který definoval Kirchoff, každý prvek absorbuje právě takové záření, právě o takových vlnových délkách, které by při excitaci emitoval. Aby mohl zkušební vzorek absorbovat záření o jeho charakteristických vlnových délkách, tak je třeba vzorek uvést do plynného stavu. 9.10 Ferografie Jedná se o metodu, která využívá metodu částicové analýzy. Princip spočívá v rozčlenění magnetických otěrových částic ze vzorku oleje na skloněné průhledné podložce, pod kterou je umístěn magnet, který svým magnetickým polem působí na magnetické částice otěru. Na největší částice působí magnet nejdříve a ty se pak usazují na začátku ferogramu, malé částice až na jeho konci. Dále pak dochází k vyhodnocení ferogramu způsobem feroskopickým (morfologie a chemické složení) nebo ferodenzimetrickým (distribuce vzhledem k velikosti).
126
10 ZÁVĚR Publikace je vytvořena v rámci Operačního programu přeshraniční spolupráce 2007 – 2013 Česká republika – Polská republika. Odborným zaměřením projektu je Program profesní přípravy specialistů – lídrů transferu inovací a moderních technologií do firem na polsko-českém pohraničí č. PL.3.22/2.3.00/09.01517. Hlavním koordinátorem projektu je ATH v Bielsku-Bialej. Pro objektivizaci technického stavu strojních zařízení existuje celá řada metod, bohužel každá metoda má svá úskalí a omezení. Aby bylo dosaženo včasné identifikace vznikající poruchy, je velmi vhodné kombinovat některé metody, čímž se bude jednat o tzv. multiparametrickou diagnostiku. Správná volba a provozování metod technické diagnostiky je rozhodující pro eliminaci poruch, čímž je přímo spojena s bezpečností provozu a ochrany zdraví i života obsluhy, dále eliminace prostojů zařízení i celých výrobních linek, což přímo souvisí s ekonomickým a ekologickým provozem provozovaných strojních zařízení. Správná aplikace již běžných metod a aplikace nových inovativních metod technické diagnostiky, by mělo být jednou ze zásadních priorit prosperujícího a konkurenceschopného průmyslového podniku. V opačném případě bude s postupem času docházet (i přes možnou počáteční úsporu) k výrazným technickoekonomickým ztrátám a tím ke zmenšení konkurenceschopnosti. Účelem této publikace je zvyšování povědomí o metodách a možnostech aplikace metod technické diagnostiky a také možnosti použití nových inovativních metod. Bohužel není možné rozvést veškerou problematiku, případně i shrnout veškeré metody pro objektivizaci technického stavu strojních zařízení, proto se zabývám ve zkrácené verzi pouze vybranými metodami, včetně řady praktických aplikací.
127
Použitá literatura [1] HELEBRANT, F., ZIEGLER, J.: Technická diagnostika a spolehlivost II – Vibrodiagnostika. VŠB – TUO, Ostrava 2004, 1. vydání, 178 s., ISBN 80 – 248 – 0650 – 9. [2] HELEBRANT, F. Vibrační diagnostika VIB 01 - Základy vibrodiagnostiky, Ediční středisko DTI, Bohumín 2007, 159 s. [3] BLATA, J. Metody technické diagnostiky. /Učební text předmětu „Technická diagnostika“ / 1. vydání, Ostrava: Vysoká škola báňská, 2011. 27 s. [4] BLATA, J. Expertní aspekty diagnostického systému vibrací rotačních strojů. Disertační práce na Fakultě strojní VŠB – TU Ostrava, Katedra výrobních strojů a konstruování. Vedoucí: Jurman, J. Ostrava, 2011. 117 s. [5] VOŠTOVÁ, V. – HELEBRANT, F. – JEŘÁBEK, K. Provoz a údržba strojů – II. část Údržba strojů. ČVUT v Praze, Praha 2002, 124 s. ISBN 80-01-02531-4. [6] BLATA, J. Vibrodiagnostika strojních zařízení /Učební text předmětu „Technická diagnostika“ / 2. vydání, Ostrava: Vysoká škola báňská, 2012. 30 s. [7] ČSN ISO 10816. Vibrace - Hodnocení vibrací strojů na základě měření na nerotujících částech - Část 1: Všeobecné směrnice, 1998. 24 s. ISSN 011412 . [8] JENČÍK, J. – VOLF, J. a kol.: Technická měření. Vydavatelství ČVUT, Praha 2003, dotisk 1.vydání, 212s., ISBN 80-01-02138-6. [9] Firemní literatura firmy Brüel & Kjaer. [10] KREIDL, M.: Měření teploty – senzory a měřící obvody. BEN – technická literatura, Praha 2005, 1. vydání, 240 s., ISBN 80-7300-145-4. [11] SGLUNDA, R. Diagnostika stavu valivých ložisek [online], [cit. 2011-4-11].
[12] BILOŠOVÁ, A. Valivá ložiska [online], [cit. 2011-4-13]. [13] WIKIPEDIA, části kapalinového teploměru [online], [cit. 2012-12-15]. Dostupné z WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Teplomer.jpg [14] 3ZSCHEB, měření teploty [online], [cit. 2012-12-15]. Dostupné z WWW: http://www.3zscheb.unas.cz/e-learning/fyzika%20web/teplotavyklad.htm [15] WEBZDARMA, termočlánky [online], [cit. 2012-12-16]. Dostupné z WWW: http://www.maryshfmmi.webzdarma.cz/mttd.htm [16] NDT, Metody zkoušení [online], [cit. 2012-11-10]. Dostupné z WWW: http://www.ndt.cz/prilohy/43/metody_zkouseni_uz.pdf [17] IZAPING, Biografía William Herschel [online], [cit. 2012-16-10]. Dostupné z WWW: http://www.izaping.com/relacionado/biografias [18] FLUKE, Hodnoty emisivity běžných materiálů [online], [cit. 2012-20-11]. Dostupné z WWW: http://www.fluke.eu/comx/show_product.aspx?locale=czcs&pid=37822 [19] JENČÍK, J. – VOLF, J. a kol.: Technická měření. Vydavatelství ČVUT, Praha 2003, dotisk 1.vydání, 212s., ISBN 80-01-02138-6 [20] ŠMÍD, R. Termovize [online], [cit. 2012-05-09]. Dostupné z WWW: http://measure.feld.cvut.cz/usr/staff/smid/lectures/thermo07.pdf [21] RICHTER, M. Základní fyzikální principy využitelné v počítačovém vidění [online], [cit. 2012-25-09]. Dostupné z WWW: http://www.uamt.feec.vutbr.cz/~richter/vyuka/1112_MAPV/fyzika_txt.html
128
OBSAH 1
ÚVOD ......................................................................................................................... 1
2
HISTORICKÝ VÝVOJ DIAGNOSTIKY .............................................................. 2
3
ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ METOD TECHNICKÉ DIAGNOSTIKY ............... 4
4
VIBRODIAGNOSTIKA ........................................................................................... 8
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5
Základní vztahy ........................................................................................................... 8 Základní veličiny....................................................................................................... 10 Snímače vibrací ......................................................................................................... 12 Umisťování snímačů, provozní pokyny .................................................................... 19 Rychlá Fourierova transformace FFT ....................................................................... 21 Příklad jednoduchého skládání signálu ..................................................................... 22 Základní poruchy a jejich projevy [4] ....................................................................... 24 Nevyváženost ............................................................................................................ 24 Statická nevyváženost ............................................................................................... 24 Momentová nevyváženost (dvojicová nevyváženost) .............................................. 25 Dynamická nevyváženost.......................................................................................... 26 Úhlová a rovnoběžná nesouosost .............................................................................. 27
5
METODY PRO HODNOCENÍ TECHNICKÉHO STAVU ............................... 30
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.9.1 5.9.2 5.10
Trendování vibrací .................................................................................................... 30 Stanovení alarmových hodnot ................................................................................... 33 Stanovení aktuálních otáček ze spektra vibrací ........................................................ 35 Identifikace technického stavu při využití časového záznamu ................................. 36 Metoda Kurtosis ........................................................................................................ 38 Crest faktor ................................................................................................................ 39 Nesymetrie elektromagnetického pole ...................................................................... 41 Záznějové vibrace ..................................................................................................... 45 Praktické příklady diagnostiky čerpadel ................................................................... 46 Horizontální čerpadlo 1 ............................................................................................. 46 Horizontální čerpadlo 2 ............................................................................................. 51 Spalovací motory ...................................................................................................... 55
6
REZONANCE ......................................................................................................... 57
6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4
Možnosti odstranění rezonance ................................................................................. 58 Rezonanční módy konstrukce ................................................................................... 59 Praktický příklad rezonance – rezonance kabiny nakladače ..................................... 61 Základní parametry stroje ......................................................................................... 61 Provedení měření a průběh vyhodnocení .................................................................. 61 Modální analýza kabiny ............................................................................................ 65 Nápravná řešení pro snížení vibrací .......................................................................... 67
7
NEDESTRUKTIVNÍ DIAGNOSTIKA – NDT .................................................... 69
7.1 7.1.1
Kapilární metody....................................................................................................... 69 Rozdělení kapilárních metod..................................................................................... 70 129
7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.3.1 7.4 7.5 7.6 7.6.1 7.6.2 7.7
Pracovní postup ......................................................................................................... 70 Metody indikace rozptylových polí .......................................................................... 71 Zviditelnění rozptylových polí .................................................................................. 71 Elektrické metody snímání rozptylových polí .......................................................... 71 Ultrazvukové testování.............................................................................................. 72 Metody ultrazvukové defektoskopie ......................................................................... 72 Magnetická paměť materiálu - MMM ...................................................................... 74 Praktický příklad použití metody MMM pro detekci válců pro válcování trub ....... 75 Praktické příklady použití NDT a jejich aplikace na bubny pásových dopravníků .. 79 Praktická aplikace ultrazvukového měření na bubny pásového dopravníku ............ 79 Měření necelistvostí bubnů za pomoci metody MMM ............................................. 82 Praktické využití metody MMM při diagnostice pásů .............................................. 87
8
TERMODIAGNOSTIKA ....................................................................................... 91
8.1 8.2 8.2.1 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4
Základní vztahy a veličiny ........................................................................................ 91 Kontaktní měření teploty........................................................................................... 91 Rozdělení kontaktních teploměrů ............................................................................. 91 Bezkontaktní měření teploty ..................................................................................... 96 Historický vývoj ........................................................................................................ 96 Infračervené záření .................................................................................................... 97 Prostup infračerveného záření atmosférou ................................................................ 97 Emisivita ................................................................................................................... 98 Teplota okolí ........................................................................................................... 103 Způsoby vyhodnocení termovizních měření ........................................................... 105 Termodiagnostika ve stavebnictví........................................................................... 106 Termodiagnostika ve strojírenství ........................................................................... 107 Termodiagnostika v elektrotechnice a jiných odvětvích ......................................... 107 Praktické příklady termovizních měření na pásových dopravnících ...................... 114
9
TRIBODIAGNOSTIKA ....................................................................................... 119
9.1 9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10
Kinematická viskozita ............................................................................................. 120 Bod vzplanutí a hoření ............................................................................................ 121 Obsah vody ............................................................................................................. 122 Kvalitativní způsoby zjištění přítomnosti vody v olejích ....................................... 122 Kvantitativní způsoby stanovení množství vody v olejích ..................................... 123 Číslo alkality a kyselosti ......................................................................................... 124 Conradsonův karbonizační zbytek .......................................................................... 124 Kapková zkouška .................................................................................................... 125 Celkové znečištění .................................................................................................. 125 Spektrální analýza ................................................................................................... 126 Atomová spektrofotometrie .................................................................................... 126 Ferografie ................................................................................................................ 126
10
ZÁVĚR ................................................................................................................... 127
130
Autoři Katedra, institut Název:
Místo, rok, vydání: Počet stran: Vydala: Tisk: Náklad:
Jan Blata, Janusz Juraszek Katedra výrobních strojů a konstruování Metody technické diagnostiky, teorie a praxe Ostrava, 2013, 1. vydání 133 VŠB – Technická univerzita Ostrava REPRONIS, s.r.o. Ostrava 150 ks.
Neprodejné ISBN 978-80-248-2997-5
