Машински факултет

Универзитет у Београду

Завршни рад

Анализа сигнала добијеног анализом вибрација

Професор: Др.Угљеша Бугарић Студент:Милан Травица

Садржај:

1.Општа својства.................................................................................2

2.Узроци настанка вибрација.............................................................3

3. Карактеристике вибрација..............................................................4

4.Ниво комплексних вибрација..........................................................7

5.Мерење вибрација.............................................................................8

6.Анализа вибрација............................................................................15

7.Прикупљање података.....................................................................16

8.Интерпретација података.................................................................19

9. Приступ техничкој дијагностици помоћу конторле вибрација...21

10. Закључак........................................................................................ .24

11. Литература......................................................................................25

1

1. Општа својства

У последње време је настају потпуно нове технологије за мерење вибрација . Које због свог генералисаног садржаја представљају један од најзначајнијих показатеља свеукупног динамичког стања машине као система или појединих њених саставних делова. Уз помоћ вибрација се може пратити стање великог броја техничког система.

Слика 1. Технички системи

Под механичким вибрацијама подразумевемо осцилаторно кретање крутог тела у односу на његов равнотежни положај. Узрочник кретања је поремећајна принудна сила која може бити по карактеру детерминисана или случајна и још се може поделити на стационарне и нестационарне. Детерминистичке су оне силе чији је временски ток интезитета једнозначно одређен аналитички, графички, табеларно или на неки други начин. Стационарне детерминистичке су оне силе које зависе осим времена и од извесног броја параметара чије су вредности сталне током посматраног времена. У пракси се јављају силе за које не постоји начин да се предвиди ток њихових интезитета током времена, предвиђања се своде на искуство и овакве силе су случајног карактера и за њихово проучавање се примењује статистичка теорија. Стационарне стохастичке силе су оне код којих вредности статистичких параметара сталне током посматрања. Постоји и термин слободне вибрације које представњају периодично кретање које тело изводи по престанку деловања поремећајне силе.

У свим овим случајевима општи карактер кретања се може изразити хармонијском временском функцијом, а као основни параметри за њену идентификацију поред фрекфенције осциловња може се изабрати и једна величина као што је амплитуда

2

померања, његова брзина тј. убрзанје. Поред аналитичког истраживања вибрације се могу представити и графички.

Вибрације се могу приказати у два коресподентна домена: временском и фрекфентном. Практични разлози дају предност фрекфентном домену. Временски домен представља промену сигнала током времена а фрекфентни представља вредност сигнала која се налази у неком фрекфентном опсегу.

Слика 2. Вибрације у временском и фреквентном домену (слика доле)

3

2. Узроци настанка вибрацијаМеханичке вибрације се деле на принудне и сопствене. Принудне су последица деловања динамичких сила које се унутар система мењају по правцу или величини. Базични принцип дијагностике у индетификацији вибрација управо и полази од детерминистичког концепта настанка динамичких сила. Сваки појединачни изовор генерише вибрације тј њихом настанак:

-неуравнотеженост маса ротационих делова система

-недовољна динамичка крутост кућишта и темеља система

-поремећај центричности спојнице и лежаја

-угиб вратила

-похабани, ексцентрични или оштећени зупчаници

-лоши погонски каишеви и ланци

-неисправни котрљајући лежаји

-одступања обртног момента

-електромагнетне силе

-аеродинамичке силе

-неједнак зазор између ротора или статора

-олабављеност спојева итд.

Узрок вибрација мора да буде сила која се мења или према свом правцу или према својој величини. Сваки узрок вибрације има своје карактеристике. Сопствене вибрације су функција физички константних механичких система за разлику од принудних вибрација које престају са уклањањем поремећајне силе, на сопствене вибрације може се деловати преко измене конструкционих параметара система.

4

3. Карактеристике вибрација

Основне карактеристике које идентификују вибрације су:

-фрекфенција вибрација

-амлитуда вибрација

-померај

-брзина вибрација

-убрзање вибрација

Стварна улога ових карактериситка је у чињеници да се оне користе за детекцију и описивање нежељеног понашања саставних делова или система. Фреквенција вибрација показује који део система је неисправан и указује на врсту проблема. Добијене вибрације имаће фреквенцију која зависи од брзине ротирања дела система који има неке сметње или је неисправан. Карактеристике померања, брзине и убрзања мере се због утврђивња величине вибрација. Са гледишта рада саставног дела или система амплитуда представља индикатор који се користи за утврђивање колико је добар или лош њихов рад.

Често се може поставити питање који је најбољи индикатор оцене нивоа вибрација : померање, брзина или ампитуда. Ниво вибрација је функција померања и фреквенције. Међутим пошто је брзина вибрације такође функција померања и фреквенција онда се може закљутити да је брзина директно и мера нивоа вибрација. Показало да је брзина најбољи индикатор стања саставног дела или система.

Слика 3. Фрекфенције вибрације.

5

Слика 4. Брзина вибрације.

Слика 5. Амплитуда вибрације (X0).

Оно до чега се још дошло радом и изучавањем карактеристика вибрација и онога на шта нас оне упућују као резултат је да се мерењем померања филтрирају фрекфенције вибрација и очитавају се оне мање вредности истих. Такође мерењем брзине тј убрзања очитавају се вредности средњих или високих фреквенција вибрација.

Када се фрекфенције вибрација крећу у опсегу од 10Hz до 1кHz као параметар најбоље је узети брзину. Утицај система на изградњу спектра брзине је најмањи у овом интервалу те ће се добити добар преглед расподеле амплитуда вибрација, осим тога више фреквенције се пригушују. Мерењем брзине се може извршити и одстрањивње шумова који се јављају при мерењу.

Када су фреквенције вибрација изнад 1кHz погодно је изабрати убрзање као параметар јер су амплитуде вибрација тада најистакнутије.

6

Као резултат када смо добили неку промену вибрација можемо направити дијаграме тј представити све графички где можемо представити или амлитуде и из тога очитавати и стварати слику о исправности неког дела или представити фрекфенцију на истоименој фрекфентној скали. Амплитудне скале су графички прикази резултата где је приказана расподела амплитуда у зависности фреквенције. Проблем ове скале је у томе што је опсег вредности обухваћен овом скалом мали у односу на простор који је на располагању и што се мали врхови важних компоненти спектра не виде јасно у шуму. Све ово се може избећи коришћењем логаритамске скале.

Фреквентне скале користе се при графичком приказивању спектра вибрација где се на апцису наносе вредности фреквенције у линеарној или логаритамској скали. Линеарна скала је добра ако је потребан висок степен разлагања блиских компонената вибрације такође се препознају хармоничне компоненте вибрација. При коришћењу логаритамске фреквентне скале области ниских фреквенција је развученија од области виших фреквенција, овим се постиже разлагање дуж фреквентне осе.

4. Ниво комплексних вибрацијаВибрације саставних делова система су комплексне и састоје се од више фреквенција. Углавном укупно или тотално померање биће збир свих појединачних вибрација. Тамо где је вибрација комплексна да би смо применили померење на дијаграм нивоа вибрација треба најпре утврдити појединачна померања и њихове фреквенције. То се врши помоћу анализера вибрација са подесивим филтром.

Сигнал вибрација снимљен на неком карактеристичном мерном месту машине јесте сума великог броја мање или више индивидуалних извора и по правилу садржи у себи доста комлексног садржаја. Пример, да су ампилтуде 4 основне вибрације идентичне (А1=А2=А3=А4=А) а фреквенције међусобно доста различите добија се да је укупна амлитуда 4А. Овакав модел просторног сабирања није могућ за сложеније случајеве који се у пракси свакодневно срећу. Мерење убрзања вибрација тесно су повезана са инерционим силама које делују на систем при чему се могу јавити релативно велике силе при високим фреквенцијама, мада померање и брзина вибрација могу да буду мали.

7

Слика 6. Пример генерисања сложених вибрација

Поред тога по оцењивању нивоа вибрација треба мерити и фазу, која омогућује примену погоднијег начина за упоређивање једног кретања са другим. Мерење фазе важно је и за балансирање масе. Ако је проблем неког система дебаланс при чему се може мерити фаза онда можемо у том случају извршити балансирање.

8

5. Мерење вибрацијаВибрације се региструју аналогним путем-претварањем механичких померања у аналогне електричне сигнале. Инструментални сет прилагођен употреби у погонским условима састоји се од претварача, мерног инструмента са појачавачем и филтра. Конфигурација омогућава мерење сва три карактеристична облика вибрација.

Претварач је уређај који региструје и препознаје физичку величину (вибрације) и врши њено претварање у електрични излазни сигнал који је сразмеран мереној променљивој величини.

Слика 7. Типови и структура претварача

Слика 8. Начин рада претварача

9

Слика 9. Пример инструмента за мерење различитих типова вибрација

Претварачи вибрација могу да буду контактни и бесконтактни, при чему први мере апсолутне а други релативне вибрације. Сем тога на њихов избор утиче и однос снаге изворног сигнала и проводљивост веза до мерног места .

Контактни претварачи могу мерити убрзање вибрација( пиезоелектрични), брзину (индуктивни) и померање (сеизнички). Пример контактог претварача дат је на слици 8.

Слика 10. Пример контактног претварача

10

Бесконтактни претварачи се углавном изводе на индуктивном или капацитивном принципу.

Слика 11. Пример бесконтактног претварача

Мерење вибрација и обрада резултата мерења су само први део другог блока у логичком низу: детекција, анализа, интерпретација. Други део се односи на идентификацију доминантних компоненталних извора регистрованих у подручију временског или фрекфентног домена, користећи ситнтезу свих знања о специфичним карактеристикама потенцијалне слике осциловања покретних најчешће ротирајућих машинких делова. У свим фазама поступака идентификације фреквенција је кључни параметар. За мноштво ротирајућих машинских делова, лежаја и зупчаника пре свега поред основне ротирајуће фреквенције и њених виших хармоника, егзактним математичким изразима дефинисан је низ принудних сопствених фреквенција којима у снимњеним спектрима могу одговарти одговарјући делови машине.

Инструменти за мерење вибрација се могу поделити као:

-мерни уређаји ( за периодичне контроле вибрација)

-контролни уређаји ( за континуалну контролу вибрација)

-анализери (подесиви филтар за издвајање појединих фреквенција комплексне вибрације).

11

Мерни уређаји су различити са различитим опсезима и карактерисикама и самим тим имају различите примене, такође могу бити уређаји којима можемо непрекидно пратити ниво вибрација или преносиви за лакши рад.

Примери преносивих мерача, анализера и контролних уређаја који могу да се користе су нпр:

Мерач вибрација ПЦЕ-ВТ 204 :

Мерач вибрација ПЦЕ-ВТ 204 се нарочито истиче захваљујући својој мултифункционалности, то је преносни уређај. Виброметар прецизно мери три параметра вибрација, а такође може да се користи и као тахометар. Уређај, дакле може да се користи за тестирање вибрација мотора, мењача, брзина, точкова и сл., али и за мерење ротација машинских компоненти. Може се вршити пребацивање мерних податка на рачунар помоћу софтверског пакета. Филтери интерне фреквенције елиминишу ефекте буке у окружењу што омогућава уређају откривање специфичних вибрација.

12

Мерач вибрација ВБМ 100 :

Уређај ВБМ-100 служи за механичко мерење техничких система и постројења. Мерење вибрација може открити стање постројења попут синхроног хода, грешака у поравнању или слабих или отпуштених делова. Овај уређај олакшава одржавање и ремонт у погону. Резултати мерења се приказују на једноставан начин на дисплеју.

Анализатор вибрација МВП-2Ц : који поред самог мерења вибрација омогућава и анализу истих. Резултати се приказују на дисплеју тако да се резултати могу одмах очитавати без пребацивања на рачунар.

Користи се за проверу, одржавање ротирајуће машине у погону, поседује: 2 канала за вибрације, 1 улаз за интегрисано мерење температуре, интегрисано мерење броја обртаја, идентификација мерног места, 512 МБ меморије. Омогућава једноставно праћење нивоа вибрација као и софистицирану анализу и дијагностику: колектор података, балансирање на лицу места, 2-канални анализатор вибрација, дигитални снимач записа, анализа редова итд.. Кућиште овог уређаја је веома лако и комфорно за рад са једном руком, екран је у боји са интерфејсом који је базиран на иконама, у њега су интегрисани уређаји за бесконтактно мерење температуре и броја обртаја са ласерским показивачем.

Пример излазног екрана тј добијених нивоа вибрацја је дат на слици испод.

13

Анализатор модул омогућава да се подешавања мерења и анализа изврше директно на уређају на лицу места. Могуће је мерити РМС ниво вибрација, направити временске записе, фреквентне спектре. Двоканална анлиза омогућава бројне функције: анализа орбите за машине са клизним лежајевима или одређивање преносне функције код модалне анализе за детекцију резонанци. Постоји и могућност приказивања резултата и у фреквентном и у временском домену.

Анализатор вибрација ПЦЕ-ВТ 250:

Анализатор вибрација ПЦЕ-ВТ 250 је идеалан за раднике у одржавању за брзо тестирање вибрација на машинама и инсталацијама. ПЦЕ-ВТ 250 стетоскоп користи боје као што су црвена, жута и зелена за индикацију стања. Анализатор вибрација ПЦЕ-ВТ 250 дијагностицира проблеме са вибрацијама са ФФТ анализом, што га чини изузетно корисним у раним откривањима дефеката. Са стетоскопом ПЦЕ-ВТ 250 могућа је основна анализа како у постројењу тако и на теренским радовима превентивног одржавања. Није

14

неопходна употреба софтвера или додатног хардвера. Са слушалицама акустичне вибрације могу бити пренесене на људско уво. Резултати се дигитално и једноставно виде на екрану у виду бројчане вредности..

Поред преносивих постоје још и непреносиви уређаји, они се монтирају директно на машину и константно прате ниво вибрација и врше њихову анализу:

Мерач вибрација ''ONE PRO D MVX'':

Уређај се монтира на сам технички систем са ког се константно очитава ниво вибрација и те локално измерене вредности се пореде са подешеним нивоима вибрација и алармима који су везани за контролне релеје. Уз помоћ софтвера , цео систем се може надзирати и преко рачунара са веома јасним шематским приказом. Помоћу овог уређаја се могу пратити и више машина и периодичном режиму и у континуираном режиму. Информације које добијамо на рачунару преко одговарајућих софтвера се одмах анализирају и добијају се резултати о нивоу вибрација и местима потенцијалних кварова.

15

6. Анализа вибрација У сигналу вибрација снимљеном на површини машинског дела присутни су трагови многих индивидуланих сигнала генерисаних на местима нежељеног трансформисања дела корисне енергије у енергију вибрирања. Ради идентификовања таквих извора није довољно изводити само упоређивање укупног нивоа вибрације, већ треба извести пажљиво расчлањивање на саставне делове и проценити парцијалан удео сваког дела.

Поступак фрекфентног раздвајања назива се фрекфентна анализа, а као њен крајњи резултат добија се поменути фрекфентни спектар. То се постиже филтрирањем сигнала временског записа вибрација у инстурменту названом анализер.

Потпуније анализе се изводе у лабораторијским условима, коришћењем квалитетних анализера који имају широке могућности амплитудне модификације и фрекфентне трансфорамције. Обрада сигнала најчешће се изводи аналогним путем. У последње време све конкуретнији је дигитални поступак. Снабдевени брзим процесорима они нуде широк избор функција у анализи динамичких појава у сва три коришћена домена : амплитудном, временском и фрекфентном.

Временски домен, базиран на опсервацији времеских фунција, иако традиционалан метод крајње је неподесан за разматрање иоле сложенијих појава. Снимљени сигнал обично се састоји од великог броја индивидуланих компоненти које делују истовремено, а чије је парцијалне утицаје веома тешко одредити како по амплитуди тако и по фреквенци. Фреквентна анализа је поступак којим се сложена временска функција разлаже на појединачне фрекфентне компоненте и може се сматрати каменом темељцем у развоју и примени дијагностичких метода. Презентација снимљеног сигнала у фрекфентном домену назива се спектром снаге и представља разложену енергију по фрекфентној оси. Снимљени спектар је синтеза комплексног динамичког стања, укључујући геометријску тачност и квалитет монтаже. Математичка интерпретација ове технике постављена је на бази Фуријеове трансформације.

Анализа вибрације врши се када периодичне контроле укупних вибрација на тхничким системима откривају њихово значајно повећање. Ова анализа треба да се изврши на почетку извођења програма одржавања према стању како би се утврдило техничко стање система.

Поступак анализе може се поделити у две фазе:

- прикупљање података

- интерпретација и обрада података

16

Слика 12. Пример јединице за добијање података о вибрацијама.

17

7. Прикупљање података

Ниво употребљивости измерених резултата умногоме завси од обима предузетих припремних активности и спроведене методологије мерења. Избор репрезентативне величине стања, избор броја и распореда мерних места, избор конфигурационе мерне опреме задовољавајућег фрекфентног и динамичког дијапазона, избор филтера оптималних карактеристика- само су неки од најзначајнијих елемената веома значајног процеса припреме.

Данас скоро сваки мерни инструмент има могућност изражавања амлитуде преко неке од физичких величина стања: померај, брзина, убрзање. Ове величине не могу бити генерално препоручене већ избор сваке величине зависи од случаја до случаја. Ипак највише је у уптреби брзина вибрација, с обзиром да у себи истовремено садржи линеарну меру амплитуде и фрекфенције.

Филтри могу да пропуштају само оне делове сигнала коју су садржани у уском фреквентном подручију. Они могу имати веома различите карактеристике а избор филтера зависи од унапред постављених циљева.

Анализирани сигнал на инструменту за регистровање може бити презентиран на линеарној и логаритамској скали. Линеарни излаз је погодан за сигнале са доминантним нискофрекфентним компонентама а логаритамски подједнако добро истиче све компоненте по целој фреквентној оси што је од значаја код сигнала звука или високо фреквентних вибрација.

За упрошћавање регистрованих и аналитичких података може се користити нпр. извештај мерења вибрација (сл.12.).

Пример у табели 12. је модел извештаја са мерења вибрација, ово је мало старији приказ ове врсте извештаја али и сада је слична структура.

18

Слика 14. Извештај о контроли нивоа вибрација.

Мерење и регистровање укупне амплитуде или амплитуде >> без филтра<< и мерење преовлађујуће фреквенције треба обавити у свакој мерној тачки. Амплитуде мерене без филтра и вреднсоти фрекфенције корисне су из више разлога.

-Прво вредност амплитуде указује на то колики је проблем.

-Друго, вредности доминанантне фрекфенције могу да усмере нашу пажњу на сам извор проблема и веома често омогућавају откривање фреквенције вибрација , које нисмо ни очекивали да ћемо наћи. Међутим закључци о природи проблема не могу се донети само на основу вредност добијених без филтра. Мора се извршити детаљна анализа вибрација са подесивим филтром пре доношења коначне одлуке.

19

8. Интерпретација података После коришћења метода за добијање потребних података за анализу вибрација следи испитивање регистрованих података и утврђивање значајних вредности за фреквенцију вибрација која је утврђена. обично се летимично погледа свака колона са подацима о фреквенцији и заокружи једна , две или три најзначајније вреднсти амплитуде.

Постоји читаво мноштво критеријума помоћу којих се једно утврђено стање техничког система може декларисати као стабилно или нестабилно, односно као добро или лоше. Заједничка особина свих ових приказа , заснованих најчешће на упоређивању односа физичких величина излаза и улаза једног машинског система- у функцији фрекфенције свакако је зависност од усвојених теоријских модела. Разумљиво да им отуда и практична применљивост остаје ограничена, било да предпостављају комликовани методолошки поступак било да постављени модели не могу довољно верно интерпретирати особине реалног машинског система.

Пракса захтева прагматичне поступке који омогућавају лаку применљивост са тачношћу која је искуством довољно потврђена. Ради се, дакле , о стварању стандарда који би уопштавањем преко великог броја посматрања интегрисали практично искуство и били меродавни за оцену стања појединих машинских система, без обзира да ли се оно интерпретира преко буке или вибрација.

Постојеће норме и стандарди резултат су уопштавања резултата до којих се дошло посматрањем вибрација на виталним машинама са ротационим кретањем.

Анализа вибрација показује међутим да се уочљиве промене код снимљених сигнала манифестују искључиво на карактеристичним деловима фрквентног спектра, тј. у очекиваним фреквентним подручијима која одговарају сопственим или принудним вибрацијама. Одавде се се изводи закључак да за успешно праћење и оцену стања и није потребна стална обрада сигнала у комплетном фреквентном опсегу, већ да је сасвим довољно обратити пажњу на ограничен број изабраних фрквентних подручија и пратити ниво сигнала по њима.

Сложени ротациони системи захтевају свакако много већи број виталних тачака чије понашање треба стално или повремено пратити. Мониторкси систем који био постављен на класичан начин несумљиво био би гломазан и недовољно прегледан. Стога се решење задатка тражи у правцу ангажовања сложеније опреме за активизацију и обраду података. Интелегентни >> data loggeri<< представљају само почетну етапу ка ставарању снажних централизованих рачунарских система чији би брзи процесори не само пратили већ исто тако аутоматски идентификовали стање, прогнозирали његову даљу промену и доносили меродавне одлуке од значаја за одржавање.

20

Слика 15. Пример приказивања резултата мерења вибрација.

21

9. Приступ техничкој дијагностици помоћу конторле вибрација

Целокупан дијагностички прилаз полази од чињенице да сваки поремећајни узрочник генерише вибрације тачно одрђеног карактера, препознатљиве пре свега по фрекфенцији као кључном параметру. При томе индетификација доминантних парцијалних компоненети регистрованих подручија временског или фреквентног домена постављена на коришћењу асимилираног стања и искуства о специфичним карактеристикама потенцијалне слике осциловња покретних најчешће ротирајућих машинских делова.

За мноштво виталних ротирајућих машинских делова и поред основне фреквенце и њених виших хармоника егзактним математичким путем дефинисан је низ принудних и сопствених фреквенција којима могу одговарати и доминантне компоненте у снимљеним спектрима.

На следећој слици у систематизованом облику је дат преглед појединих карактеристичних фрекфенција и њихових потенцијалних узрочника.

.

22

Таблица 16. Најчешћи узточници вибрација и њихове карактеристике.

23

10. ЗакључакЧесто постављамо питање колики је ниво вибрација дозвољен?

За одговор на ово питање важно је имати на уму да је наш циљ да употребимо контролу вибрација ради детекције односно откривања сметњи у њиховој раној фази да би се планирало њихово отклањање.

Није циљ да се одреди колики ниво вибрација неки део система може да издржи пре него откаже већ да се постигне одговарајућа опомена у погледу сметњи тако да се оне могу елиминисати пре отказивања система. Апсолутне неисправности и отказивања су прилично комплексне да би такве границе могле да постоје. Искуство специјалиста за вибрације може помоћи за добијање извесних реалних смерница. Приликом утврђивања прихватљивих нивоа вибрација система треба размотрити искуство и чиниоце као што су безбедност, трошкови отклањања неисправности, трошкови услед застоја у производњи, важност система у технолошком ланцу производње и др..

24

11Литерарура:[1] Живосав Адамовић -''Техничка дијагностика'', Завод за уџбенике и наставна средства Београд 1998.

[2] www.industrijska-merenja.rs/Meraci/meraci-vibracije.htm

25