EFFEKTIV TILSTANDSOVERVÅGNING? Af Palle Aggerholm, Vibro Consult Telefon: 86 14 95 84 E-mail: palle@vibroconsult.dk I dette afsnit sættes fokus på nogle af de faldgruber, man kan komme ud for, og nogle af de diagnoseværktøjer, man kan anvende, i forbindelse med vibrationsanalyser på roterende maskiner. Der gøres utroligt mange mere eller mindre helhjertede forsøg på at overvåge roterende maskiners tilstand, og mange af de personer, der er beskæftiget i vedligeholdsafdelinger, ved også, at vibrationsmåling kan være en effektiv metode til at forudsige fejl i maskiner. Et eksempel på en banal fejltagelse. Jeg skriver: kan være, fordi effektiviteten i høj grad afhænger af, om man anvender det rigtige måleudstyr til den rigtige opgave. Jeg oplever desværre alt for ofte, at man rundt omkring i virksomhederne har liggende måleudstyr, som er solgt under falske forudsætninger. Det vil sige, at man f.eks. har solgt måleudstyr til detektering af defekte lejer, hvor det viser sig, at det udelukkende kan benyttes til at vurdere maskinens ubalance. Dette er jo lidt ærgerligt, idet man får den kedelige oplevelse, at maskinernes lejer bryder sammen, uden at man i tide får det forventede varsel om, at der er noget galt. I nævnte tilfælde kunne man jo lige så godt have brugt sine ører (eventuelt forbedret med en skruetrækker) til at vurdere lejets tilstand, og så havde man sparet pengene til det ubrugelige måleudstyr. Det korte af det lange er, at billigt måleudstyr i mange henseender kan være udmærket udstyr, hvis det blot anvendes til det formål, det er målrettet til. Det er derfor vigtigt, at man i forbindelse med køb retter henvendelse til velrenommerede virksomheder, hvor man får en god rådgivning om måleudstyrets anvendelse i relation til de aktuelle maskiner. 1
Et minikursus: For at give uindviede læsere en chance for at leve sig lidt ind i vibrationsverdenens mysterier, vil jeg efterfølgende dosere et lille minikursus, som forhåbentlig kan bidrage til at fornemme, hvad en vibrationsanalyse er, hvad den kan bruges til, og hvad man skal være opmærksom på for at undgå fatale fejltagelser. Vibrationsspektret fra den her viste maskine er naturligvis et fantasi-spektrum, idet man skal forestille sig, at informationen fra samtlige målepunkter er samlet i et spektrum. Dette - for at give et bedre overblik over hvilke informationer, der kan hentes ud af spektret. Vi skal nu se hvilken sammenhæng, der er mellem maskinens forskellige dele og frekvensspektret. 1. Motoren kører med 3000 o/min = 50 Hz (Hz er omdr. pr. sek.). Som alle roterende maskiner har den en større eller mindre ubalance, som resulterer i et bestemt vibrationsniveau. Dette niveau er afsat som en top i spektret ud for 50 Hz. 2. Motoren trækker, gennem et gear, en arbejdsmaskine, lad os kalde den en pumpe. Tandhjulet på indgangsakslen har 40 tænder. Disse tænder griber ind i deres modpart 40 gange for hver omdrejning af akslen, det vil sige 40 x 50 = 2000 gange pr. sek. svarende til 2000 Hz eller 2 khz. Denne frekvens kaldes tandindgrebsfrekvensen. Niveauet på denne frekvenskomponent afhænger af, hvor hårdt tænderne slår mod hinanden og er derfor belastningsafhængigt. 3. Gearet har jo til formål at sænke hastigheden på pumpehjulet, f.eks. til 12,5 Hz. Dette hjul har ligesom motoren en ubalance med et bestemt niveau. Niveauet af denne ubalance afsættes som en top ud for 12,5 Hz. 4. Pumpehjulet har 8 skovle. Disse skovle passerer et bestemt punkt i pumpehuset 8 gange pr. omdrejning svarende til 8 x 12,5 = 100 Hz. Dette kaldes pumpens skovlfrekvens. Niveauet på denne frekvens afhænger af pumpens konstruktion og belastning og afsættes som en top ud for 100 Hz. 5. Maskinens lejer (rulningslejer) opfører sig på tilsvarende måde i spektret, idet kugler og ruller frembringer frekvenser som er afhængige af, hvor hyppigt en fejl i ringene passeres af rulleelementerne eller en fejl i rulleelementerne rammer en ring. Det er ret vigtigt, at maskinens lejer er i god kondition. Derfor er man altid interesseret i så tidligt som muligt at få kendskab til, hvis en fejl er under udvikling. Desværre er det sådan, at fejl i rulningslejer først giver sig til kende på de beregnede fejlfrekvenser i det normale frekvensspektrum på et meget sent tidspunkt, hvor man både kan høre lejet og eventuelt konstatere en temperaturstigning, og så er det ofte ved at være for sent. Den tidlige advarsel, som man oftest ønsker, er til gengæld let tilgængelig via et såkaldt envelopespektum. Man benytter sig her af lejernes naturlige resonanser, som anslås af rulleelementerne, når de ruller hen over en fejl. Disse resonanser kan ses i det normale frekvensspektrum. Man udvælger sig herefter den del af resonansområdet, som man vil benytte til envelopeanalyse. Denne analyse undersøger det højfrekvente område for indhold af lavfrekvente komponenter. 2
Disse lavfrekvente komponenter kan så være fejlfrekvenser fra et leje, hvilket let kan kontrolleres ved hjælp af lejeberegningsprogrammer, når man kender lejetypen. Men ----- andre komponenter kan også give sig til kende i lejernes resonansområde, men herom senere. Bredbåndsmåling. Den simpleste form for frekvensanalyse er en såkaldt bredbåndsmåling, idet den kun består af et mm/s 7,1 4,5 2,8 2,3 1,4 enkelt frekvensbånd, f.eks. 10 Hz 1000 Hz. Det er netop dette frekvensbånd, der benyttes, når en maskines vibrationsniveau skal bedømmes i henhold til ISO standard nr. 10816 (tidl. ISO 2372). Denne standard er målrettet til at vurdere en aktuel maskines vibrationsniveau i relation til nogle gennemsnits målinger foretaget på en lang række forsøgsmaskiner. I praksis benyttes standarden ofte som rettesnor i forbindelse med aftaler mellem køber og sælger. Til dette formål fungerer den da også udmærket; men desværre misbruges standarden i stor udstrækning til vurdering af en maskines generelle tilstand. Hvis man gør det kritikløst, kommer man let til at begå alvorlige fejltagelser, fordi målingerne foretages over et bredt frekvensområde. I langt de fleste tilfælde vil det i virkeligheden være niveauet på maskinens omløbsfrekvens (kan være udtryk for maskinens ubalance), der måles på, idet denne frekvenskomponent oftest er langt den højeste i spektret. Da tilstandskontrol ved hjælp af vibrationsmåling jo går ud på at betragte ændringer i vibrationsniveauet i forhold til en L 300 kw <maskiner < 50 MW Gruppe 1 : 15 kw <maskiner < 300 kw Gruppe 2 Pumper, kompressorer, ventilatorer,etc. > 15 kw Separat motor Gruppe 3 Ikke tilladt ved længerevarende kontinuert drift. Omløbstal Omløbstal F.eks tandindgreb F.eks. tandindgreb ISO 10816-3 Stive rotorer f Pumper, kompressorer, ventilatorer,etc. > 15 kw Integreret motor Gruppe 4 Samlet niveau referencemåling, kan det være ret katastrofalt kritikløst at sætte sin lid til en bredbåndsmåling, idet der på nogle frekvenskomponenter kan ske ændringer i vibrationsniveauet, som man ikke ser, før det er for sent. I det viste spektrum kan ændringen i niveauet på tandindgrebsfrekvensen først ses, når den er næsten på niveau med omløbsfrekvensen. Detektering af lejefejl kan foretages ved hjælp af bredbåndsmåleudstyr. Det er vel at mærke udstyr, som måler i det højfrekvente område, hvor lejefejlene giver sig tidligt til kende. Nogle instrumenter måler i lejernes resonansområde, andre måler omkring måletransducerens resonansfrekvens. Begge dele kan være udmærkede løsninger. Men ----- Jeg nævnte som afslutning på minikurset, at andre maskindele end lejerne også kan snakke med i det højfrekvente område. Dette betyder naturligvis, at når man konstaterer en niveaustigning på sit instrument, kan man ikke altid være sikker på, at stigningen skyldes en fejl i et leje. Årsagen til stigningen kunne f.eks. være en defekt i en frekvensomformer, et slidt pumpehjul, løse kileremme, slitage i et gear, kraftig ubalance, løst fundament osv. osv. 3
Nogle af tingene kan man umiddelbart undersøge uden at skille maskinen ad, andre kan man ikke. Der er derfor gennem tiderne kasseret mange lejer på et forkert grundlag. Man havde jo købt måleinstrumentet som lejefejlsdetektor. Hvis man bruger denne type instrumenter til overvågning af lejefejl, bør man altid, når man konstaterer en niveauudvikling, supplere målingen med en envelopeanalyse og dermed få stillet den rigtige diagnose fra starten. Det vil være langt det billigste i længden. Frekvensanalyse. Uanset om man foretager bredbåndsmålinger eller frekvensanalyser er det de niveauændringer man konstaterer, som danner grundlag for, hvad man skal foretage sig i det videre forløb. Frekvensanalysen er naturligvis det stærkeste værktøj til tilstandsovervågning, hvis man vil være sikker på at stille en korrekt diagnose fra starten, idet man jo dermed overvåger niveauet på hver enkelt frekvenskomponent for sig. Tidsforbruget til selve måleopgaven er stort set det samme, uanset hvilket udstyr man anvender. Man bør derfor sikre sig, hvis man har eksterne konsulenter til at klare sine måleopgaver, at de har analyseudstyr til rådighed, da man ellers ikke har mulighed for med sikkerhed at stille den rette diagnose. I det følgende vil jeg fremhæve nogle få eksempler fra mit praktiske liv i vibrationsverdenen med fremhævelse af de faldgruber, man kan komme ud for, hvis man er for hurtig til at få stillet diagnosen. 1. Nedenstående envelopespektum stammer fra motoren til en røggasventilator, målt ved lejet i dens NDE. I spektret er markeret en række frekvenskomponenter, som stammer fra frekvensomformeren. Disse er jo ret dominerende i spektret, og hvis målingen var foretaget som bredbåndsmåling, ville det have været summen af disse, der blev vist i displayet. Dette betyder også, at en eventuel lejefejl under udvikling vil give sig til kende på et meget sent tidspunkt. Så sent at maskinen muligvis vil være tæt på at havarere, inden man opdager fejlen, hvis ikke man følger udviklingen i et envelopespektum. Envelopespektrum fra frekvensstyret motor (omløbsfrekvens ca. 15 Hz). 4
Et ekstra minikursus: I nedenstående spektrum er angivet f.eks. omløbsfrekvenser. Dette er en sammenfatning omløbsfrekvensen og dens harmoniske. Ved harmoniske forstås 2 x, 3 x, 4 x, 5 x, - - - omløbsfrekvensen. Disse harmoniske svingninger er bøjningssvingninger i akslen, måske forårsaget af dårlig opretning, bøjet aksel, stor ubalance,osv. Tilsvarende harmoniske optræder i alle maskiner i tilknytning til f.eks. kileremmenes omløbsfrekvens, tandindgrebsfrekvenser, pumpens skovlfrekvens osv. Disse harmoniske kan fortælle en hel masse om en maskines tilstand, men det ligger uden for dette minikursus rammer at komme ind på dette. 2. På en kileremstrukket maskine giver kileremmene sig ofte ret kraftigt til kende, idet deres vibrationsniveau kan være ligeså højt eller ofte meget højere end de øvrige frekvenskomponenter i spektret. I spektret herunder ses det, at kileremmens 5. harmoniske har ca. samme niveau som blæserens omløbsfrekvens. Det ses desuden, at motorens omløbsfrekvens og dens harmoniske er lavere end blæserens omløbsfrekvens, til trods for at der måles på motoren. Dette fortæller jo tydeligt, at man generelt set skal være meget varsom med at stille diagnoser ud fra en bredbåndsmåling, og i det aktuelle eksempel i særdeleshed, da man ikke har mulighed for at vide, hvad man måler på, idet niveauet på kileremsfrekvenserne varierer afhængigt af stramningen, og niveauet på blæserens ubalance varierer afhængigt af eventuelle belægninger på blæserhjulet. Frekvensanalysen fortæller til gengæld helt klart, hvad der foregår på de enkelte maskindele. Kileremsfrekvenser Omløbsfrekvenser, motor Omløbsfrekvenser, blæser FFT-spektrum fra køleluftsblæser, målt på motor DE. 3. For nogle år tilbage blev jeg bedt om at foretage en afbalancering af en kileremstrukket blæser, da man havde observeret, at den rystede for meget. Det første man bør gøre, inden man begynder på afbalanceringen, er at foretage en frekvensanalyse for at sikre sig, at problemet virkelig drejer sig om ubalance. Analysen på denne maskine viste tilfældigvis, at kileremsfrekvensens 3. harmoniske faldt næsten sammen med blæserens omløbsfrekvens. De to frekvenskomponenter kunne ikke skelnes fra hinanden i det normale spektrum. En zoom-analyse viste til gengæld, at de to komponenter lå med 0,3 Hz mellemrum. Overraskende nok vist analysen også, at niveauet på omløbsfrekvensen var ca. 1/10 af niveauet på kileremsfrekvensens 3. harmoniske. 5
I dette tilfælde var det altså ikke ubalance, der var problemet, men til gengæld en stramning eller udskiftning af kileremmene, der skulle til. Et mikrokursus: Fasemåling er en måling af en bestemt frekvenskomponent (normalt omløbsfrekvensen) i forhold til et bestemt punkt på den roterende del. Det kan foregå ved, at man opsamler en puls fra en refleksbrik på akslen og måler tiden, der går, indtil man detekterer den aktuelle vibration fra den roterende aksel. Den forløbne tid omsættes til et antal grader og kaldes fasen. 4. At frekvensanalysere vibrationerne fra en maskine kan give utroligt mange oplysninger om maskinen. En af de frekvenskomponenter, der kan afsløre flest hyppigt forekommende fejl i maskinen er omløbsfrekvensen. Gennem denne afspejles bl.a., som nævnt tidligere, ubalancen, men også opretningsfejl, bøjet eller skæv aksel, forskydning af rotoren i en motor i forhold til statoren. Fasemåling er nøglen til at benytte omløbsfrekvensen som diagnoseværktøj. Hvis eksempelvis en motor ryster meget, kan man ved hjælp af fasemåling bl.a. bestemme, om der er tale om ubalance eller en bøjet - eller skæv aksel. Man skal blot i begge ender af motoren måle vibrationsniveauet sammenholdt med fasen i både radial og aksial retning. Skitsen herunder viser niveau/fase-forholdene, hvis der er tale om en bøjet aksel. Pilene viser måleretningen. 5,8 mm/s 170 o 3,8 mm/s 158 o 2,6 mm/s 39 o 2,7 mm/s 34 o Hvis f.eks. de aksiale målinger havde været i medfase frem for, som her, i modfase, kunne det indikere, at rotoren var forsat i forhold til statoren. For i disse tilfælde at stille en korrekt diagnose kræves det naturligvis, at målingerne foretages på den ukoblede motor for at undgå indflydelse fra fremmede maskindele. På samme måde er det muligt at skelne opretningsfejl fra ubalance. Samlet konklusion: Alt i alt burde det være indlysende, at hvis en maskine ryster for meget, er det lettere at stille diagnosen ved hjælp af frekvensanalyser og fasemålinger frem for at forsøge sig frem med afbalancering, opretning, lejeskift, etc. Efterskrift: Vibrationsmåling bliver ofte fremlagt som noget, der er utroligt simpelt at have med at gøre. Det er det i princippet også, men i praksis er vibrationerne fra de fleste maskiner for komplekse til, at det bare er noget, man gør. Enhver kan jo gå ud til sin maskine og tage en måling, men som det forhåbentligt fremgår af ovenstående, kan der ligge utroligt mange faldgruber foran en. Det ved alle, der har deltaget i et vibrationsanalysekursus. Kend dit instrument, for at bruge det rigtigt. Kend dets begrænsning; det er lige så vigtigt. 6