Integrácia monitorovanie stavu vibrácií s analýzou mazacieho oleja
Hľadanie príčiny problému v technológii v prevádzke stroja nie je ľahká úloha. Prejav jedného problému je väčšinou naviazaný na iné a na prvý pohľad nie vždy jasne čitateľné. Znižovanie rizika, eliminovanie negatívnych javov sa dá včasným rozpoznaním príčiny. Včasné rozpoznanie príčiny pre šťastlivcov môže byť vecou náhody, ale väčšina z nás sa k nemu dopracuje systematickým štúdiom, skúsenosťami a dôslednou analýzou. Dá sa to porovnať skúsenosťou študenta na skúške. Jeden študent môže dostať otázku práve ktorú sa naučil, pričom iný študent sa učil celú tému a dostane otázku, ktorej nevenoval pozornosť a „vyletí" zo skúšky.
V praxi sa takýto prístup nevypláca. Spoliehať sa iba na šťastie je veľkým rizikom a hlavne stratou. Ako príklad môže poslúžiť T.A. Edison, ktorý kým našiel ten správny materiál pre vlákno žiarovky vyskúšal viac ako 6 000 rôznych druhov látok. Údržbári, či diagnostici pri hľadaní riešenia však toľko pokusov k dispozícii nemajú. Moderný prístup pozostáva v analýze minulosti, formovaní a chápaní súčasnosti a príprave na budúcnosť. V mnohých prípadoch by sa problémom dalo celkom úspešne predchádzať.
V priemysle sa nedá nájsť prevádzka, v ktorej by nepracovali rotačné stroje. V zariadeniach, pri ktorých dochádza k pohybu, a v tomto prípade rotačnému, je treba aj mazať. Väčšina strojov, strojných zariadení a mechanických sústav obsahuje rotačné a konštrukčné prvky s periodickou činnosťou, ktorých pohyb sa prejavuje sínusovým signálom s rôznou amplitúdou, frekvenciou, či fázovým posunutím. Každej takejto harmonickej funkcii prislúcha konkrétny zdroj budenia. Frekvenčná oblasť je významným nástrojom diagnostiky. Zatiaľ čo v časovej oblasti zodpovedá určitému dejuperiodický sled impulzov, vo frekvenčnej oblasti sa tento dej zobrazí amplitúdou pri frekvencii týchto impulzov alebo ich násobkov.
Takéto signály odzrkadľujú stav resp. zmenu stavu stroja, poskytujú informácie o jeho tzv. kondícii.
Ukazovateľom dynamického zaťaženia, a tým aj poškodenia je mohutnosť kmitania stroja. Prax potvrdzuje, že veľmi užitočné a vhodné je meranie efektívnej hodnoty rýchlosti kmitania, ako odozva kmitania.
Kondícia stavu stroja môže vychádzať zo stavu stroja samého, ale aj ako iniciatíva okolia s ním súvisiaceho. Preto najbežnejším identifikačným znakom zmeny stavu rotačných strojov sú vibrácie. Vibrácie alebo aj inak nazývané mechanické kmitanie, je dynamický jav, ktorý je charakteristický pre tuhé látky. Elementárne častice konštrukčných prvkov strojov, stavebných konštrukcií, ako i elementárne zložky zemskej kôry vykonávajú vratný pohyb okolo kľudovej rovnovážnej polohy. V rámci konštrukcie strojov sa hovorí o kmitaní tuhého telesa s jedným a viac bodmi voľnosti. Ak je sústava s nekonečným počtom stupňov voľnosti, jedná sa o kmitanie pružného telesa. Pri analýze vibrácií treba podľa toho pristupovať.
Kmitanie u strojných zariadení a konštrukcií je spôsobené dynamickými silami, ktoré vyvolávajú:
- hmoty s vratným pohybom,
- nevyváženosť sústavy alebo nesúosovosť,
- zmeny tlaku pracovných médií v hydraulických sústavách,
- turbulentné prúdenie tekutín,
- nepresnosti ložísk
- poškodenia v pohyblivých rotačných prvkoch,
- trenie vzájomne sa pohybujúcich častí,
- pôsobenie okolia na danú sústavu, otrasy, impulzy, a pod.,
- nesprávna konštrukcia stroja.
Ako možno vyčítať z vyššie uvedených dôvodov, zdroj zmeny vibrácií spočíva v údržbe a oprave technológií, v prevádzkových podmienkach a v kvalite konštrukčných prvkov mechanickej sústavy.
Hydrodynamické prúdenie média, trenie, rázové sily spolu s vplyvmi technologického procesu vyvolávajú vysokofrekvenčné zdroje vibrácií, ktorých sprievodným znakom je hluk. V prevádzke pohybujúci sa skúsený pracovník s citlivým uchom už podľa zvuku dokáže rozpoznať, že so strojom nie je niečo v poriadku.
Kmitanie spôsobí budiaca externá alebo interná sila. Keďže vibrácie sa popisujú amplitúdou a fázou v danom čase, a práve v tom istom čase v stroji pôsobia súčinne aj ďalšie sily, ktoré majú za následok daný stav vibrácií, je veľmi ťažko rozpoznať pravú príčinu zmeny. Jedným z pôsobení je vplyv maziva a jeho kvalita.
V tomto článku sa nechcem podrobne zaoberať popisom a analýzou vibrácií, ale na jednu konkrétnu príčinu, ktorá na ne pôsobí, čo sa prejavuje práve zmenou hodnoty vibrácií. Stav maziva sa odzrkadľuje na správaní sa stroja, a to zmenou amplitúdy, napriek tomu, že nedochádza k zmenám v podmienkach prevádzky.
Relatívne snímače vibrácií ako bezdotykové vyhodnocujú vibračný pohyb jednej časti stroja voči druhej, ako je príklad vibrácií hriadeľa voči ložisku. Medzi týmito časťami pôsobí mazivo. Stav a chovanie stroja z tohto uhla pohľadu vyhodnocuje tribotechnická diagnostika.
Tribodiagnostika ako jedna z metód technickej diagnostiky sa zaoberá hodnotením mazania a vlastnosťami maziva. Vystupuje tu proces trenia, účinky a prejavy, ktorého sú ovplyvňované fyzikálnymi vlastnosťami kontaktujúcich sa telies, ktorých povrchy sa navzájom pohybujú. Nie menej významný vplyv má aj chemické pôsobenie mazacej tekutiny a okolitého prostredia reprezentovaného danou teplotou a tlakom. Proces trenia tak súčasne ovplyvňuje vzájomný pohyb, geometria povrchov telies, deformácia povrchov, zaťažujúce sily a rozloženie momentov. Cieľom je maximálne zníženie účinku trecích síl a vznikajúceho tepla a tak opotrebenia.
Preto, aby stroj dobre fungoval, treba brať dôraz na výber vhodného maziva. Tu pôsobí niekoľko faktorov, ako sú: typ základnej zložky maziva, cielený výber aditív v závislosti na požiadavky jeho plnenia funkcie v prevádzke. Nezanedbateľné sú aj ďalšie faktory, a to: permanencia výrobného procesu, skladovacie podmienky, množstvo spotrebovávaného maziva, ako i jeho nároky v nákladovej položke výroby. Ak je správny výber maziva, tento zaisťuje optimálnu funkčnosť a trvanlivosť mazív, redukuje výrobné náklady, zaisťuje vysoký stupeň kvality, chráni povrchy pred degradáciou minimalizuje starnutie maziva, a tým aj spotrebu. Nezanedbateľnú úlohu zohrávajú dôsledky na životné prostredie, znížením množstva odpadu.
Aby mazivo splnilo predurčené požiadavky, treba ho pravidelne kontrolovať a ošetrovať. V mnohých výrobných podnikoch pôsobia profesie, z ktorých jedna sa zaoberá meraním a hodnotením vibrácií a druhí starostlivosťou o oleje. Spravidla v rámci šetrenia sa táto starostlivosť viaže len na dopĺňanie mazacieho systému, ale už menej na hodnotenie maziva. A tu nastáva podstata problému. Stroj začne nelogicky „vibrovať" a údržbári, v lepšom prípade vibrodiagnostici hľadajú príčinu a pôvod zmien chovania sa stroja. Keďže nemajú informácie o mazive ( o ktorý sa mnohokrát ani nezaujímajú) hľadajú problém v konštrukcii, regulácii a pod.
Poučným príkladom môže byť nasledovné riešenie:
V prevádzke pracoval odstredivý radiálny kompresor s menovitými otáčkami 5850 min-1. I keď sa prevádzkové podmienky nemenili, hodnoty vibrácií sa chovali veľmi nelogicky a chvíľami dosahovali hodnotu výstrahy (viď. obr.č.1). Prevádzkovateľov to znepokojovalo a hľadali riešenie. Na stroji boli inštalované na každom klznom ložisku po dva relatívne snímače s označením X a Y. Tieto poskytovali pomerne dostatočné množstvo informácie pre analýzu vibrácií. Keď sa vykonali všetky dostupné merania, hľadala sa ďalšia logická cesta riešenia, ktorá doviedla k analýze maziva. Mazivom bol turbínový olej (minerálny). Nakoľko v potrubí na mazacom systéme boli inštalované mechanické filtre, na ktorých nebol zaznamenaný žiadny sediment, neverili, že dôvod zhoršujúceho sa stavu môže byť v nekvalite oleja. Napriek tomu sa odobrali vzorky a vykonal sa fyzikálno-chemický rozbor oleja, ktorý spočíval v nasledovnom:
- overenie kinematickej viskozity,
- obsah vody,
- stanovenie čísla kyslosti,
- obsah antioxidantu,
- infračervená spektrálna analýza,
- stanovenie mechanických nečistôt,
- stanovenie triedy čistoty
Výsledky laboratórnych analýz potvrdili, že mazivostné vlastnosti nie sú narušené, olej nie je ani termicky ani oxidačne degradovaný, ale potvrdil sa výskyt mechanických nečistôt. Keďže sa jednalo o mäkké kaly, pri prevádzkovom tlaku v mazacom systéme sa tieto nezachytili na sitách filtroch, ale len nimi prešli. Napriek tomu spôsobovali problémy v systéme. Po vykonaní separátnej filtrácie, pri ktorej tieto kaly boli oddelené, vibrácie kompresora sa stabilizovali a hodnoty amplitúdy klesli na bežné hodnoty (viď. obr.č.2).
Treba si uvedomiť, že takéto nečistoty, kaly pri reakcii s kyslíkom a za spoluúčinkovania tepla vytvárajú laky (obr.č.3) a môžu mať za následok vážnejšie poruchy. Keďže majú lepivý charakter, spôsobujú zhoršenie prietoku oleja a tak obmedzujú mazanie. Takto degradovaná tekutina môže mať za následok veľa rôznych porúch, ktoré bránia bezproblémovej výrobe.
Dnes je už neskoro hodnotiť, kde sa stala chyba. V každom prípade je dôležitá priebežná analýza a hodnotenie stavu maziva u rotačných strojov. Ďalším dôležitým faktorom je integrácia informácií v rámci jednej prevádzky, pre komplexné hodnotenie stavu zariadení. Otázka môže znieť aj takto. Vedeli, v akej kvalite nový olej doplnili do systému? V tejto súvislosti vzniká mnoho a mnoho ďalších otázok, ktoré by bolo vhodné aj prostredníctvom takýchto praktických príkladov rozdiskutovať.
Filtrácia, či už to mechanická alebo elektrostatická ( vhodné uplatnenie záleží od druhu použitého oleja) slúži ako predĺženie životnosti oleja tým, že odstráni vniknuté kontaminanty, produkty starnutia oxidačných produktov. Mala by byť uplatňovaná priebežne ako prevencia pred vnikom nežiaducich produktov, ako i pre ošetrenie používaného oleja.
Záver
Vo výrobných podnikoch s rotačnými strojmi tam, kde dochádza ku vzájomnému pôsobeniu povrchov tuhých telies a pri ich styku a relatívnom pohybe skúsenosti potvrdzujú, že poznatky o chode by sa mali spájať z viacerých vedných odborov do multiparametrickej diagnostiky. Ani najkvalitnejšie mazivo nemá nekonečnú životnosť, pokiaľ sa nebude oň odborne starať. Mazanie je dôležitá súčasť prevádzky strojov, ktorá by mala byť organizačne zaistená kvalifikovaným odborným personálom, keďže má technický aj ekonomický význam.
Ing. Viera Peťková, PhD.
