Procesy wibroakustyczne zawsze towarzyszą pracy maszyn. Objawiają się one w
postaci drgań i hałasu obserwowanych obiektów i uznawane są za procesy resztkowe
powstające podczas wykonywania przez maszynę jej właściwego zadania. Z końcem
lat siedemdziesiątych ubiegłego stulecia zauważono, iż zmiana charakteru
procesów wibroakustycznych może być związana ze zmianą stanu technicznego
maszyny. Zaczęto, więc rejestrować sygnały wibroakustyczne, ze szczególnym
uwzględnieniem sygnałów drganiowych, generowanych przez pracujące obiekty
techniczne.
Każdy element pracującej maszyny generuje właściwy dla siebie sygnał
drganiowy. Inne, więc będą drgania generowane przez pracujący silnik
elektryczny, inne przez przekładnię zębatą a jeszcze inne przez niewyważony wał.
Opisane zjawisko może zobrazować schemat przedstawiony na rysunku 1.
Rys.1. Drgania generowane przez
poszczególne komponenty układu kinematycznego.
Zarejestrowany przez specjalistyczne oprzyrządowanie sygnał drganiowy zawiera
jednocześnie informacje o pracy wszystkich elementów będących w zasięgu użytego
do pomiaru sensora. Charakter takiego sygnału zależy od m.in. od kinematyki,
prędkości obrotowej czy mocy.
We wczesnych etapach diagnostyki drganiowej zakładano, że sygnał zmierzony na
obudowie łożyska zawierać będzie głównie komponenty charakterystyczne dla pracy
wału, na którym łożysko jest osadzone. Podobnie, umieszczenie czujnika drgań na
obudowie przekładni równoległej da nam w skutek pomiaru informacje związane
głównie z procesem zazębiania. Wskaźnikiem stopnia zużycia poszczególnych
elementów w takim podejściu są proste analizy na sygnale drganiowym związane z
mierzeniem energii sygnału czy amplitudy międzyszczytowej.
Realizacja zadań diagnostycznych w sposób opisany powyżej może odbywać się na
dwa sposoby. Pierwszym jest regularny pomiar drgań w wyznaczonych punktach
pomiarowych za pomocą urządzenia przenośnego oraz prowadzenie regularnej analizy
statystycznej otrzymanych wyników. Drugim jest zastosowanie automatycznego
systemu ciągłego nadzoru.
Mimo iż okresowe pomiary wielkości dynamicznych w wybranych węzłach maszyny
są bardzo pomocne we wczesnym wykrywaniu awarii, nie dają pełnego
zabezpieczenia, szczególnie w przypadku maszyn krytycznych, gdzie wymagany jest
ciągły nadzór diagnostyczny.
Aby zminimalizować ryzyko wystąpienia awarii oraz zapewnić podwyższone
bezpieczeństwo pracy zaczęto stosować systemy ciągłego nadzoru
diagnostycznego.
Systemy monitorowania i diagnostyki są urządzeniami złożonymi, składającymi
się z wielu elementów takich jak czujniki, moduły akwizycji danych, serwery czy
stacje operatorskie.
Za pomocą czujników można zmierzyć takie wielkości jak drgania, temperaturę,
ciśnienie, naprężenia oraz wiele innych. Następnie ten sygnał jest rejestrowany
przez moduły akwizycji danych i wysyłany do centralnego serwera systemu, który
zbiera dane ze wszystkich jednostek akwizycji danych. Wartości z kanałów
pomiarowych są poddawane zaawansowanemu przetwarzaniu i kontrolowane jest, czy
wartości sygnałów nie przekraczają zadanych progów alarmowych. W przypadku
wykrycia przekroczenia wysyłane może być powiadomienie do operatora. Dane
pomiarowe oraz wykryte alarmy rejestrowane są w bazie danych, dzięki czemu
powstaje historia pracy maszyny. W celu połączenia się z systemem używane są
stacje operatorskie, zazwyczaj są to typowe komputery PC, na których uruchamiany
jest specjalny program. Za ich pomocą możliwe jest oglądanie zarejestrowanych
sygnałów z maszyny oraz konfigurowanie systemu.
W początkowym okresie rozwoju takich systemów, nie znalazły one zastosowania
w większości gałęzi przemysłu. Było to spowodowane relatywnie dużymi kosztami
oraz ograniczonymi możliwościami analiz wibrodiagnostycznych. Głównym
użytkownikiem zautomatyzowanych systemów diagnostyki i monitoringu w tamtym
czasie stał się przemysł energetyczny, a pierwszymi maszynami objętymi ciągłym
nadzorem były turbogeneratory parowe. Wraz z rozwojem technik pomiarowych oraz
technologii informatycznych ceny systemów diagnostyki i monitoringu spadły na
tyle, że możliwa była ich ekspansja do innych dziedzin przemysłu. Systemy
pierwotnie montowane na turbozespołach zostały więc wdrożone do monitoringu
wentylatorów, pomp i tym podobnych, tańszych urządzeń. W dalszym jednak ciągu
nie było możliwe skutecznie diagnozowanie maszyn o bardziej złożonej kinematyce.
Wzrosty ogólnych poziomów wibracji, jak to zakładano pierwotnie, pozwalały co
prawda na detekcję rozwoju uszkodzenia jednego z elementów maszyny, nie
pozwalały jednak na jego jednoznaczną identyfikację. Z pomocą przyszedł rozwój
technik cyfrowego przetwarzania sygnałów, który pozwolił na implementację do
systemów monitoringu analizy częstotliwościowej. Dzięki niej możliwe jest
przedstawienie sygnału drganiowego w postaci widma zawierającego informacje o
energii poszczególnych elementów (rys. 2).
Rys. 2. Widmo drgań
Nowa funkcjonalność zaowocowała wprowadzeniem systemów wibrodiagnostycznych
do wielu dziedzin przemysłu na szeroką skalę. Stała się możliwa znacznie
bardziej precyzyjna diagnostyka łożysk tocznych, ze względu na wprowadzenie
analizy obwiedniowej, pozwalającej wykryć nawet bardzo subtelne zmiany stanu
dynamicznego węzłów łożyskowych. Stosowane obecnie rozwiązania pomagają
nieustannie służbom utrzymania ruchu w nadzorowaniu poprawności pracy ciągów
technologicznych.
Jak powiedziano na wstępie, na generowany przez pracującą maszynę sygnał
drganiowy ma wpływ nie tylko jej budowa ale również parametry pracy. Szeroką
grupę maszyn z różnych gałęzi przemysłu stanowią maszyny pracujące w zmiennych
warunkach eksploatacyjnych. Doskonałym przykładem takich obiektów są turbiny
wiatrowe, dla których parametry takie jak prędkość obrotowa i generowana moc
mogą w przeciągu kilku minut zmieniać się nawet o kilkadziesiąt procent.
Dla takich maszyn niemożliwe jest zastosowanie analizy częstotliwościowej,
ponieważ linie widmowe (rys 3) stają się rozmyte i ich jednoznaczna
identyfikacja staje się niemożliwa.
Rys. 3. Widmo sygnału drganiowego
maszyny o zmiennej prędkości obrotowej przed zastosowaniem analizy rzędów (góra)
i po jej zastosowaniu (dół).
Rozwiązaniem tego problemu stało się wprowadzenie do technik diagnostyki
wibroakustycznej analizy rzędów. Jednym z jej fundamentalnych założeń jest
ciągły pomiar prędkości obrotowej zsynchronizowany z rejestracją sygnału
drganiowego. Dzięki tej metodzie możliwe jest całkowite uniezależnienie się od
zmiennych warunków eksploatacyjnych.
Malejące ceny usług diagnostycznych oraz rosnące standardy dotyczące
bezpieczeństwa i niezawodności pracy maszyn powodują ekspansję systemów
monitorowania na kolejne gałęzie przemysłu. Niejednokrotnie zachodzi potrzeba
objęcia nadzorem wibrodiagnostycznym maszyn o bardzo złożonej budowie przy
możliwie jak najmniejszym koszcie, który przekłada się bezpośrednio na
stosunkowo niedużą liczbę zainstalowanych czujników. Wymusza to na inżynierach
wprowadzanie coraz bardziej złożonych i zaawansowanych metod analizy
wibrodiagnostycznej. Obecnie wdrażane są do przemysłu najnowocześniejsze
osiągnięcia nauki w dziedzinie cyfrowego przetwarzania sygnałów. Pozwala to na
detekcję zjawisk, a co za tym idzie wyciąganie wniosków diagnostycznych
niemożliwych do zaobserwowania metodami klasycznymi.
Dostępna obecnie aparatura pomiarowa, możliwości obliczeniowe oraz najnowsze
osiągnięcia nauki sprawiają, że wprowadzenie narzędzi wibrodiagnostyki jest
możliwe w niemalże każdej gałęzi przemysłu. Jednocześnie, spadające ceny usług
diagnostycznych zachęcają do wdrażania kompleksowych rozwiązań nie tylko duże
koncerny, ale również małe zakłady produkcyjne.
| 
