Dlaczego diagnostyka drgań jest kluczowa dla łożysk
Łożyska są jednym z najbardziej obciążonych i jednocześnie najbardziej wrażliwych elementów maszyn. Przenoszą siły, pracują w wysokich prędkościach, a przy tym są relatywnie tanie – dlatego często traktuje się je jak część „eksploatacyjną”, którą po prostu się wymienia. Tymczasem to właśnie diagnostyka drgań pozwala szybko wychwycić pierwsze symptomy zużycia, zanim dojdzie do awarii całego układu napędowego, zatrzymania linii produkcyjnej czy uszkodzenia wałów, sprzęgieł i przekładni.
Drgania są naturalnym „językiem” maszyny. Każda zmiana w pracy łożyska – pęknięcie bieżni, wżery, odłuszczenia, uszkodzone elementy toczne czy nieprawidłowy luz – powoduje charakterystyczne zaburzenia w sygnale drganiowym. W odróżnieniu od temperatury czy poboru prądu, sygnał drgań reaguje bardzo wcześnie, często na etapie, gdy łożysko wizualnie wygląda jeszcze dobrze. Dzięki temu możliwe jest szybkie wykrywanie usterek łożysk, planowanie przestojów i ograniczanie kosztów.
Dobrze zorganizowany system monitorowania drgań pozwala wykrywać awarie nawet kilkaset godzin przed ich krytycznym rozwojem. Różnica między maszyną, którą zatrzymuje się kontrolowanie, a maszyną, która „staje” w trakcie produkcji, to często kilkadziesiąt tysięcy złotych strat, dodatkowe uszkodzenia oraz praca w trybie gaszenia pożarów, zamiast przemyślanej prewencji.
W przypadku łożysk szczególne znaczenie ma szybkość reagowania. Uszkodzenie bieżni przy wysokich prędkościach może w krótkim czasie przejść z fazy początkowej do stanu krytycznego. Zastosowanie odpowiednich technik analizy drgań, takich jak pomiar przyspieszenia, obwiedni drgań czy analiza w dziedzinie częstotliwości, umożliwia znacznie wcześniejsze wychwycenie problemu niż klasyczna kontrola „na słuch” czy badanie temperatury obudowy.
Podstawy drgań w łożyskach tocznych
Skąd biorą się drgania w zdrowym łożysku
Nawet idealnie dobrane i zamontowane łożysko generuje pewien poziom drgań. Wynika on z chropowatości bieżni, niewielkich odchyłek geometrycznych, niewyważenia elementów tocznych czy nierównego rozkładu smaru. To tło drganiowe jest normalne i nie oznacza usterki. Typowo, dla zdrowego łożyska w poprawnej aplikacji, poziom RMS (wartość skuteczna drgań) w zakresie 10 Hz – 1 kHz jest stabilny i nie wykazuje gwałtownych przyrostów.
Drgania prawidłowo pracującego łożyska mają charakter raczej losowy, bez wyraźnie dominujących „pików” na częstotliwościach charakterystycznych. W widmie drgań widoczne są niskie harmoniczne związane z obrotami wału (częstotliwość 1×RPM, 2×RPM itd.), ale sygnał o częstotliwościach odpowiadających defektom elementów tocznych jest minimalny. To właśnie porównanie do takiego „normalnego” wzorca pozwala później szybko wychwycić odchylenia.
Charakterystyczne częstotliwości łożysk
Diagnostyka drgań w łożyskach opiera się w dużej mierze na częstotliwościach charakterystycznych. Każde łożysko ma określoną geometrię: średnice bieżni, średnicę elementów tocznych, ich liczbę oraz kąt działania. Na tej podstawie można obliczyć:
BPFO (Ball Pass Frequency Outer race) – częstotliwość przejścia elementów tocznych przez bieżnię zewnętrzną,
BPFI (Ball Pass Frequency Inner race) – częstotliwość przejścia elementów tocznych przez bieżnię wewnętrzną,
BSF (Ball Spin Frequency) – częstotliwość obrotu elementów tocznych wokół własnej osi,
Gdy dochodzi do uszkodzenia konkretnej części łożyska (np. wżery na bieżni zewnętrznej), w sygnale drganiowym pojawiają się impulsy o częstotliwości zbliżonej do BPFO. Uszkodzenie bieżni wewnętrznej generuje intensyfikację sygnału na BPFI, itd. To dlatego przy szybkiej diagnostyce łożysk tak ważna jest znajomość typu zamontowanego łożyska lub chociaż przybliżonych częstotliwości charakterystycznych.
Uszkodzenia łożysk a typ sygnału drgań
Początkowe uszkodzenia łożysk przejawiają się jako pojedyncze, krótkotrwałe impulsy drganiowe. W czasie pogłębiania się wżerów, pęknięć czy odłuszczeń impulsy stają się coraz częstsze i mocniejsze. Na skali czasu obserwuje się zestawy impulsów skorelowanych z częstotliwością obrotową wału, a po przejściu do widma częstotliwości – wyraźne „piki” na częstotliwościach charakterystycznych i ich harmonicznych.
Zaawansowane uszkodzenia łożysk powodują wzrost drgań w szerokim paśmie (szum szerokopasmowy), rosną również wartości miar impulsowości (np. współczynnik szczytu, Crest Factor). Ostatecznie pojawia się również wzrost temperatury łożyska, zmiany hałasu akustycznego oraz spadek jakości pracy całej maszyny (np. niewyważenie ważnych elementów wskutek luzów lub wybicia gniazda łożyskowego).
Typowe uszkodzenia łożysk i ich „podpis drganiowy”
Uszkodzenia bieżni wewnętrznej i zewnętrznej
Najczęściej spotykane defekty łożysk dotyczą bieżni. Mogą mieć postać wżerów, pęknięć zmęczeniowych, odłuszczeń czy lokalnych nadtopień. W diagnostyce drgań kluczowe jest rozróżnienie, czy problem dotyczy bieżni zewnętrznej, czy wewnętrznej, bo ma to wpływ na sposób planowania naprawy oraz ocenę ryzyka dalszej eksploatacji.
Uszkodzenie bieżni zewnętrznej zazwyczaj generuje drgania o częstotliwości BPFO. W sygnale czasowym widoczne są impulsy o względnie stałej amplitudzie, ponieważ defekt znajduje się w obudowie, która nie obraca się. Każdy element toczny „uderza” w to samo miejsce na bieżni, powodując powtarzalny sygnał. W analizie widmowej pojawiają się wyraźne składowe na BPFO oraz jej harmonicznych, często z modulacją obrotową.
Uszkodzenie bieżni wewnętrznej ujawnia się na częstotliwości BPFI. Ponieważ bieżnia wewnętrzna obraca się wraz z wałem, a obciążenie nie jest równomiernie rozłożone po obwodzie, impulsy mogą mieć zmienną amplitudę, modulowaną położeniem obciążonej strefy. W widmie drgań oprócz BPFI pojawiają się charakterystyczne prążki boczne wokół tej częstotliwości, związane z modulacją przez częstotliwość obrotową wału.
Uszkodzenia elementów tocznych
Defekty kulek lub rolek (płaskie miejsca, pęknięcia, wżery) dają sygnał przede wszystkim na częstotliwości BSF. Jest on często trudniejszy do wykrycia w klasycznej analizie FFT, ponieważ defekt „przemieszcza się” po obwodzie bieżni – raz wchodzi w strefę obciążenia, a raz z niej wychodzi. W efekcie impulsy są nieregularne, silnie modulowane i mają inną strukturę niż w przypadku bieżni.
Dlatego do wczesnej diagnostyki uszkodzeń elementów tocznych zwykle stosuje się analizę obwiedni (Envelope Analysis), która wzmacnia sygnały powstające wskutek uderzeń i tarcia w kontakcie rolka/bieżnia. W sygnale obwiedni wyraźniej widać prążki na częstotliwości BSF oraz jej harmonicznych, co pozwala szybciej uchwycić początkowe pęknięcia czy lokalne uszkodzenia powierzchni kulek.
Luz wewnętrzny i luzy montażowe
Jedną z bardziej zdradliwych usterek łożysk są nadmierne luzy – zarówno wewnętrzne (wynikające z zużycia bieżni i elementów tocznych), jak i montażowe (zbyt luźne pasowanie w gnieździe lub na wale). Taka maszyna nie musi generować wyraźnych pików na częstotliwościach charakterystycznych łożyska, dlatego sama klasyczna analiza widmowa bywa niewystarczająca.
W przypadku zbyt dużego luzu sygnał drganiowy ma zwiększoną zawartość niskich częstotliwości, często w okolicy 1×RPM i jej harmonicznych. Pojawiają się też efekty stukania, „przeskoku” lub zjawiska przypominające niewspółosiowość wałów. Gdy dochodzi do comming-off (obracanie się pierścienia w gnieździe), sygnał może mieć nieregularną strukturę, a w widmie pojawiają się prążki odpowiadające częstotliwości ślizgania się pierścienia.
Defekty koszyka (pęknięcia, odkształcenia, zużyte prowadnice) zwykle pojawiają się rzadziej, ale są bardzo groźne, bo mogą doprowadzić do natychmiastowego zniszczenia łożyska. W drganiach sygnał takiej usterki widoczny jest na FTF, czyli częstotliwości obrotu koszyka, oraz jego harmonicznych. Zwykle towarzyszą mu dodatkowe nieregularności, wzrost hałasu i zmienność amplitudy.
W praktyce, gdy sygnał na FTF rośnie, a w obwiedni zaczynają pojawiać się niestabilne impulsy, wielu diagnostów zaleca krótkoterminowe planowanie wymiany, bez czekania na dalszy rozwój uszkodzenia. Pęknięcie koszyka może spowodować wyjście elementów tocznych z prowadnic, zablokowanie się łożyska i poważną awarię całej maszyny.
Metody pomiaru drgań stosowane przy łożyskach
Przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie drgań
Podstawową decyzją w diagnostyce drgań jest wybór miary sygnału: przemieszczenie, prędkość czy przyspieszenie. Każda z nich najlepiej „widzi” inne zjawiska. Dla łożysk kluczowe jest monitorowanie drgań w wysokich częstotliwościach, dlatego najczęściej stosuje się przyspieszenie drgań [m/s² lub g].
Przemieszczenie drgań sprawdza się głównie dla niskich częstotliwości (np. ugięcia wałów, luzy fundamentowe), natomiast prędkość drgań [mm/s RMS] jest wygodną miarą ogólnego stanu maszyny w szerokim zakresie częstotliwości do ok. 1 kHz. Przyspieszenie natomiast jest najbardziej czułe na impulsy udarowe i wysokoczęstotliwościowe komponenty typowe dla wczesnych uszkodzeń łożysk.
Często stosuje się kombinację: ogólny poziom prędkości drgań RMS jako screening, a dla maszyn krytycznych – dedykowane pomiary przyspieszenia w rozszerzonym paśmie oraz analiza obwiedni. To daje jednocześnie szybki pogląd na stan ogólny i dużą czułość na defekty łożysk.
Analiza w dziedzinie częstotliwości (FFT)
Transformata Fouriera (FFT) jest podstawowym narzędziem diagnosty łożysk. Pozwala przekształcić sygnał z dziedziny czasu (przebieg amplitudy w czasie) do domeny częstotliwości (widmo). Dzięki temu widać, na jakich częstotliwościach energia drgań jest największa i jak zmienia się w czasie eksploatacji.
W szybkim wykrywaniu usterek łożysk duże znaczenie ma:
dobór zakresu częstotliwości – zbyt wąski (np. do 1 kHz) może nie pokazać wczesnych defektów, które lepiej widać powyżej 1–2 kHz,
rozdzielczość widma – zbyt mała uniemożliwia rozróżnienie BPFO, BPFI, BSF i FTF,
analiza trendów – pojedyncze widmo jest mniej cenne niż ciąg widm z kolejnych pomiarów, na podstawie których można ocenić tempo narastania uszkodzenia.
W praktyce, dla łożysk pracujących z wysokimi prędkościami, stosuje się zakresy do kilku – kilkunastu kHz, a parametry FFT dobiera się tak, by uzyskać czytelny obraz częstotliwości charakterystycznych i ich harmonicznych. Szybkie wykrywanie usterek wymaga też porównywania wyników z bazą pomiarów referencyjnych z początkowego okresu pracy maszyny.
Analiza w dziedzinie czasu i sygnał obwiedni
Nie wszystkie uszkodzenia łożysk są od razu widoczne w klasycznym widmie. Słabe impulsy mogą ginąć w szumie, a modulacje mogą zacierać strukturę widma. Dlatego w diagnostyce drgań dla łożysk szeroko stosuje się analizę obwiedni.
Procedura w uproszczeniu wygląda tak:
Filtracja sygnału drgań w paśmie wysokich częstotliwości, gdzie pojawiają się udary od uszkodzeń łożyska.
Detekcja obwiedni (demodulacja amplitudy) – uzyskanie sygnału, który opisuje zmiany amplitudy impulsów w czasie.
Wykonanie FFT na obwiedni – w widmie pojawiają się częstotliwości charakterystyczne łożyska (BPFO, BPFI, BSF, FTF) nawet przy bardzo wczesnych defektach.
Parametryka drganiowa dedykowana łożyskom
Sam odczyt poziomu RMS przyspieszenia nie wystarcza do szybkiego wyłapania wczesnych uszkodzeń. W diagnostyce łożysk stosuje się szereg parametrów wyliczanych z sygnału drgań, które reagują na defekty znacznie wcześniej niż klasyczne miary ogólne.
Najczęściej używane są:
współczynnik szczytu (Crest Factor) – stosunek wartości szczytowej do RMS; rośnie, gdy pojawiają się ostre impulsy udarowe charakterystyczne dla początkowych pęknięć lub wżerów,
kurtosis (kurtoza) – czuła na „spiczastość” rozkładu amplitud; pozwala wykryć pojedyncze, nieregularne impulsy na tle stabilnego sygnału podstawowego,
miary impulsowości (np. impulsowość, impulsywność normalizowana) – szczególnie przydatne przy mocno zaszumionych maszynach, gdzie widmo bywa mało czytelne,
PeakVue, HFD, gSE i inne zastrzeżone wskaźniki producentów analizatorów – bazują na filtracji wysokich częstotliwości i analizie szczytów sygnału.
W rozwiązaniach on-line parametry te są obliczane automatycznie, a system generuje alarm przy przekroczeniu ustalonych progów. Dla maszyn krytycznych często stosuje się kombinację kilku wskaźników, aby ograniczyć ryzyko fałszywych alarmów i lepiej rozróżniać luzy, niewyważenie oraz uszkodzenia łożysk.
Dobór czujników drgań do diagnostyki łożysk
Skuteczność całego systemu diagnostycznego w dużej mierze zależy od tego, czym i jak się mierzy. W przypadku łożysk szczególnie istotne są parametry czujników przyspieszenia drgań.
Najważniejsze kwestie przy doborze to:
zakres częstotliwości – dla wczesnych uszkodzeń łożysk potrzebne są czujniki o górnej granicy co najmniej kilku, a najlepiej kilkunastu kHz,
czułość – typowo 100 mV/g lub 500 mV/g; wyższa czułość ułatwia analizę w niskich poziomach drgań, ale zwiększa podatność na nasycenie przy dużych udarach,
montaż – przykręcany, przyklejany, z magnesem; sztywne połączenie (śruba, klej) zapewnia lepsze przenoszenie wysokich częstotliwości niż magnes,
kierunek pomiaru – osiowy, promieniowy lub tangencjalny; dla łożysk zwykle bada się kierunki promieniowe, jednak w przypadku szczególnych konstrukcji (np. łożyska oporowe) osiowy bywa kluczowy.
Na dużych maszynach wirnikowych standardem jest stała baza czujników, przykręcanych bezpośrednio do korpusu łożyska. W mniejszych napędach, serwowanych okresowo, technicy korzystają z czujników przenośnych z magnesem, jednak dla krytycznych punktów takich rozwiązań lepiej unikać – słabsze przenoszenie wysokich częstotliwości pogarsza widoczność subtelnych sygnałów łożyskowych.
Rozmieszczenie punktów pomiarowych na maszynie
Sam dobór czujnika nie wystarczy; kluczowa jest również lokalizacja punktów pomiarowych. Błędne miejsce montażu potrafi całkowicie „zgubić” sygnał uszkodzonego łożyska.
Przy planowaniu punktów pomiarowych zazwyczaj:
lokalizuje się czujniki jak najbliżej gniazd łożyskowych, na sztywnych częściach korpusu,
unika się cienkich pokryw, żeber o małej sztywności i elementów podatnych na lokalne rezonanse,
stosuje się co najmniej dwa kierunki pomiaru (np. poziomy i pionowy) dla każdego łożyska, aby nie przeoczyć kierunkowości drgań,
na dłuższych maszynach (np. wentylatory, sprężarki) czujniki montuje się przy każdym łożysku wału, a dodatkowo przy ważnych przekładniach, sprzęgłach czy silnikach napędowych.
Przykładowo, w zespole silnik–sprzęgło–pompa można zastosować cztery podstawowe punkty: po jednym przy każdym łożysku silnika i pompy, w kierunku poziomym i pionowym. Dla maszyn bardziej skomplikowanych (turbin, kompresorów wielostopniowych) liczba punktów rośnie, ale w zamian uzyskuje się lepsze „pokrycie” całej linii napędu.
Szybkie wykrywanie usterek w praktyce: strategie monitoringu
Monitoring okresowy vs ciągły
Wybór strategii monitorowania łożysk zależy od krytyczności maszyny, kosztu przestoju i dostępności personelu diagnostycznego. Stosuje się dwa główne podejścia: pomiary okresowe oraz systemy ciągłego monitoringu on-line.
Pomiary okresowe realizuje się zwykle przenośnym analizatorem drgań. Technik obchodzi maszyny, wykonuje odczyty w ustalonych punktach i porównuje je z bazą historyczną. Takie rozwiązanie sprawdza się przy:
średnio i mało krytycznych maszynach,
liniach, gdzie awaria nie powoduje natychmiastowego zatrzymania całej produkcji,
zakładach z rozproszoną infrastrukturą, gdzie system on-line byłby zbyt kosztowny.
Monitoring ciągły opiera się na sieci czujników podłączonych do modułów zbierających dane lub systemu sterowania (DCS/SCADA). Dane są analizowane w sposób automatyczny, a przy przekroczeniu progów generowane są alarmy. Takie podejście wybiera się dla:
maszyn krytycznych (turbiny, duże sprężarki, kluczowe napędy linii technologicznych),
urządzeń pracujących w sposób ciągły, bez dłuższych postojów,
obiektów trudno dostępnych lub niebezpiecznych dla obsługi (np. strefy ATEX).
W praktyce najczęściej stosuje się układ mieszany: ciągły monitoring dla kilku–kilkunastu najważniejszych maszyn w zakładzie oraz regularne pomiary okresowe dla reszty parku maszynowego.
Ustawianie progów alarmowych dla łożysk
Skuteczne, szybkie wykrywanie usterek wymaga sensownie ustawionych progów. Zbyt nisko ustawione powodują nadmiar alarmów, zbyt wysokie – spóźnioną reakcję.
Przy definiowaniu progów korzysta się z kilku źródeł:
normy ogólne (np. ISO 10816/20816 dla prędkości drgań) – dają orientacyjny poziom akceptowalny dla całych maszyn,
specyfikacje producentów – niekiedy podają dopuszczalne poziomy drgań dla konkretnych łożysk lub zespołów,
dane historyczne z okresu „zdrowej” pracy – najcenniejsze źródło; progi ustala się jako krotność wartości referencyjnych (np. 1,5×, 2×),
analiza trendów – alarmy mogą być wyzwalane nie tylko przez przekroczenie absolutnego poziomu, ale także przez gwałtowne tempo wzrostu parametru.
W nowoczesnych systemach stosuje się kilka poziomów alarmowych. Przykładowo: ostrzeżenie (Warning) przy umiarkowanym wzroście amplitudy lub parametru impulsowości oraz alarm (Alarm) przy dalszym, szybkim narastaniu. Dodatkowo dla częstotliwości charakterystycznych łożysk można zdefiniować selektywne progi, reagujące tylko na wzrost drgań związany z konkretnym łożyskiem, a nie z całą maszyną.
Sam fakt, że pojawił się sygnał uszkodzenia łożyska, nie oznacza od razu konieczności zatrzymania maszyny. Kluczowe są tempo narastania, charakter widma oraz powiązanie z innymi parametrami (np. temperaturą, prądem silnika).
Praktycznie analizuje się trzy elementy:
poziom bezwzględny – jak bardzo aktualny poziom różni się od wartości referencyjnych,
dynamiczny trend – czy wzrost jest łagodny i stabilny, czy gwałtowny; w jakim czasie wartości się podwajają,
zmiany widma i obwiedni – pojawienie się nowych harmonicznych, prążków bocznych, wzrostu szumów szerokopasmowych.
Dla łożysk o powolnym rozwoju uszkodzenia, z niewielkim wzrostem parametrów w kolejnych miesiącach, zazwyczaj wystarcza zaplanowanie wymiany podczas najbliższego postoju remontowego. Jeżeli jednak amplituda na częstotliwości BPFI/BPFO rośnie z pomiaru na pomiar w ciągu kilku dni, a do tego obserwuje się wzrost temperatury i hałasu – wymiana powinna zostać wykonana w trybie pilnym, nawet kosztem krótkiego, awaryjnego postoju.
Źródło: Pexels | Autor: Hyundai Motor Group
Typowe pułapki i błędy w diagnostyce łożysk
Pomylenie uszkodzenia łożyska z niewyważeniem lub niewspółosiowością
Wzrost drgań na 1×RPM często jest interpretowany jako niewyważenie. Jednak przy dużych luzach łożyskowych lub w początkowych fazach uszkodzeń bieżni również można obserwować podbicie drgań na częstotliwości obrotowej.
Rozróżnienie polega na analizie kilku aspektów:
niewyważenie daje zwykle stabilny, niemodulowany sygnał 1×RPM, bez wyraźnych impulsów w czasie,
niewspółosiowość często objawia się silniejszymi harmonicznymi 2×, 3×RPM, a w czasie widoczne są „bicia” związane z naprężeniami w sprzęgłach,
uszkodzenie łożyska oprócz zmian w okolicy 1×RPM generuje impulsy i wzrost energii w wyższych częstotliwościach, a po analizie obwiedni pojawiają się komponenty BPFO/BPFI/BSF/FTF.
Jeżeli w widmie występuje wyraźne podbicie w obszarze kilku–kilkunastu kHz oraz rośnie poziom miar impulsowych, samo wyważenie wirnika nie rozwiąże problemu – przyczyny trzeba szukać w łożyskach lub luzach.
Błędna interpretacja sygnałów od smarowania
Niewłaściwe smarowanie (nadmiar, niedobór, nieodpowiedni rodzaj smaru) ma silny wpływ na obraz drganiowy łożysk. Niedosmarowanie prowadzi do wzrostu tarcia i temperatury, z kolei nadmierne smarowanie powoduje mieszanie smaru, kawitację i wzrost drgań w określonych pasmach częstotliwości.
Typowe objawy problemów ze smarowaniem to:
wzrost drgań w średnich i wysokich częstotliwościach bez wyraźnych, ostrych pików na częstotliwościach charakterystycznych,
chwilowe obniżenie drgań po dosmarowaniu, a następnie ich szybki ponowny wzrost,
zmiany temperatury łożyska nieproporcjonalne do obciążenia maszyny.
W praktyce przy maszynach krytycznych łączy się diagnostykę drganiową z kontrolą jakości smaru (analiza olejowa) oraz rejestracją historii smarowań. Pozwala to odróżnić wczesne uszkodzenie powierzchni bieżni od problemu wynikającego wyłącznie z nieprawidłowego smarowania.
Nieprawidłowy dobór pasma i parametrów akwizycji
Częstym błędem jest stosowanie tych samych ustawień dla wszystkich maszyn w zakładzie. Zbyt niskie pasmo, za krótki czas rejestracji lub niewłaściwa rozdzielczość widma powodują, że subtelne sygnały łożyskowe pozostają niewidoczne.
Przy planowaniu akwizycji trzeba uwzględnić:
prędkość obrotową maszyny – im wyższa, tym wyżej mogą występować istotne składowe łożyskowe,
rodzaj łożyska (kulowe, baryłkowe, walcowe, stożkowe) oraz jego wymiary – determinują częstotliwości charakterystyczne,
warunki pracy – obciążenie zmienne czy stałe, rozruchy częste czy rzadkie, praca w pobliżu rezonansów konstrukcyjnych.
Dla szybkiej diagnostyki w wielu zakładach tworzy się zestawy profili pomiarowych: osobny dla małych silników, osobny dla dużych wentylatorów, inny dla przekładni. Każdy profil ma dobrane pasmo, czas akwizycji i parametry FFT pod kątem typowych uszkodzeń danej grupy maszyn.
Integracja diagnostyki drgań z innymi metodami oceny stanu łożysk
Połączenie drgań z analizą olejową
W łożyskach smarowanych olejem analiza widmowa świetnie uzupełnia się z badaniem próbek oleju. Drgania reagują na nierówności powierzchni i defekty geometryczne, natomiast analiza olejowa pokazuje zużycie materiału i stan środka smarnego.
W praktyce łączy się:
trend drgań w paśmie łożyskowym i obwiedni z
wzrostem zawartości cząstek metalu w oleju, zmianą lepkości, pojawieniem się produktów utleniania.
Korelacja drgań z pomiarami temperatury i prądu
Same drgania mówią wiele, ale w połączeniu z temperaturą łożysk i prądem silnika dają znacznie pełniejszy obraz. Szybkie wykrywanie usterek opiera się wtedy na logice „trzech świateł”: drgania, temperatura, obciążenie.
Typowe zależności są następujące:
wzrost drgań bez wzrostu temperatury – zwykle wczesna faza uszkodzenia bieżni lub elementów tocznych, luzy montażowe, pierwszy etap degradacji smaru,
wzrost drgań i temperatury przy stałym prądzie – najczęściej postępujące uszkodzenie łożyska lub problemy ze smarowaniem (tarcie rośnie, ale obciążenie procesowe się nie zmienia),
wzrost prądu i temperatury przy umiarkowanej zmianie drgań – obciążenie procesu, zatarcia w układzie mechanicznym lub problemy hydrauliczne, które dopiero wtórnie doprowadzają do przeciążenia łożysk.
W systemach on-line łączy się alarmy krzyżowo. Przykład: jeśli amplituda obwiedni na częstotliwości BPFI rośnie o 30% w ciągu tygodnia, a jednocześnie średnia temperatura łożyska przekracza wartość referencyjną o 10–15°C, system podnosi poziom alarmu z „ostrzeżenia” do „alarmu”, nawet jeśli drgania nie osiągnęły jeszcze progu absolutnego.
Takie podejście ogranicza fałszywe alarmy generowane wyłącznie przez zakłócenia procesowe (chwilowy skok obciążenia, zmiana medium, rozruch po postoju) i lepiej „wyłapuje” realnie narastające uszkodzenia łożysk.
Integracja z systemem sterowania i CMMS
Sama diagnostyka niewiele daje, jeśli wnioski nie są powiązane z planowaniem prac. Rozsądne podejście łączy system wibrodiagnostyki z DCS/SCADA oraz systemem utrzymania ruchu (CMMS).
W praktyce stosuje się m.in.:
sygnały z drgań do DCS/SCADA – proste progi ostrzegawcze i alarmowe (np. RMS, poziom obwiedni) są widoczne na synoptykach operatora, co umożliwia szybką reakcję w dyspozytorni,
automatyczne zgłoszenia w CMMS – po przekroczeniu wyższego poziomu alarmu system tworzy zlecenie przeglądu z załączonym raportem drganiowym,
tagowanie zdarzeń – każde awaryjne zatrzymanie, wymiana łożyska czy zmiana typu smaru jest rejestrowana w CMMS i powiązana z historią drgań.
Takie spięcie daje konkretną korzyść: diagnostyka przestaje być „sztuką dla sztuki”, a staje się narzędziem do podejmowania decyzji o terminie postoju, zakupie części i zmianach w eksploatacji.
Rola bazy wiedzy i historii uszkodzeń
Największą przewagę mają zakłady, które systematycznie gromadzą przypadki usterek i łączą je z zapisami drgań oraz informacjami z remontów. Z czasem powstaje praktyczna baza wiedzy dopasowana do konkretnych maszyn, a nie tylko do ogólnych podręczników.
W takiej bazie przechowuje się m.in.:
widma i obwiednie „przedawaryjne” z opisem rodzaju uszkodzenia (np. pitting bieżni zewnętrznej, odłupanie elementu tocznego, zatarcie z powodu zanieczyszczeń),
zdjęcia zdemontowanych łożysk, w tym mikrofotografie powierzchni,
dane procesowe z okresu przed awarią (temperatura, obroty, obciążenie),
informacje o zastosowanym smarze, sposobie montażu, czasie eksploatacji.
Nowy przypadek można wtedy szybko porównać z wcześniejszymi. Technik widzi, że trend drgań i kształt widma są niemal identyczne jak przy awarii sprzed dwóch lat na tej samej linii – co znacznie ułatwia podjęcie decyzji o terminie wymiany łożyska i ewentualnej zmianie konstrukcyjnej (np. inny typ uszczelnienia, inny smar).
Organizacja szybkiej diagnostyki w zakładzie
Standaryzacja punktów i tras pomiarowych
Żeby mieć wiarygodne trendy, pomiary muszą być powtarzalne. Chodzi nie tylko o to, żeby być „mniej więcej w tym samym miejscu”, ale dokładnie w tym samym, na tej samej płaszczyźnie i kierunku.
Dobrą praktyką jest:
stosowanie stałych punktów pomiarowych – przyspawane lub przykręcone trzpienie, płytki magnetyczne, gniazda gwintowane pod przetwornik,
oznaczenie punktów na osłonach i kadłubach – trwałe oznaczenia (grawer, tabliczki, kolorowe kody) eliminują pomyłki,
prowadzenie tras pomiarowych w analizatorze – operator idzie po liście maszyn i punktów, co zmniejsza ryzyko pominięcia lub zamiany.
Przy łożyskach krytycznych stosuje się zwykle co najmniej dwa kierunki pomiaru (poziomy i pionowy), a przy maszynach pionowych dodatkowo kierunek osiowy. Pozwala to uchwycić zarówno uszkodzenia łożysk, jak i problemy z osiowaniem i luzami.
Szkolenie personelu i procedury decyzyjne
Wiele szybkich awarii nie wynika z braku sprzętu, tylko z braku jasnych procedur i przeszkolenia. Analizator może pokazywać rosnący trend, ale jeśli nikt nie wie, co z tym zrobić, korzyść jest niewielka.
progi decyzyjne – opisane w instrukcji, co się dzieje przy przekroczeniu danego poziomu: kto jest informowany, w jakim czasie ma zareagować, jakie dodatkowe pomiary wykonać,
checklisty reakcji – krótkie listy działań, np. „wysoki poziom obwiedni na BPFI: 1) potwierdzić pomiar innym czujnikiem, 2) sprawdzić temperaturę łożyska, 3) ocenić krytyczność maszyny w obecnym planie produkcji, 4) zgłosić propozycję terminu wymiany do planisty UR”.
Prosta, ale jasno opisana ścieżka decyzyjna pozwala reagować szybko, bez zbędnych dyskusji przy każdej anomalii.
Priorytetyzacja maszyn i łożysk
Nie wszystkie łożyska są równie ważne. Przy ograniczonych zasobach (czas, ludzie, budżet) trzeba odróżnić „krytyczne” od „pozostałych”.
Do określenia priorytetów wykorzystuje się najczęściej prostą macierz ryzyka, w której łączy się:
skutek awarii – zatrzymanie całej linii, zagrożenie bezpieczeństwa, ryzyko uszkodzeń wtórnych (wirnik, obudowa, fundamenty),
prawdopodobieństwo uszkodzenia – obciążenia dynamiczne, środowisko pracy (pył, wilgoć, chemia), historia wcześniejszych usterek,
dostępność części zamiennych – długi czas dostawy łożysk specjalnych, problematyczny demontaż, brak rezerwy.
Łożyska o najwyższym ryzyku otrzymują bardziej rozbudowany pakiet monitoringu: stałe czujniki drgań, czujniki temperatury, częste analizy olejowe. Dla pozostałych zwykle wystarcza monitoring okresowy i szybka ocena trendów.
Techniczne aspekty szybkiego wykrywania uszkodzeń
Analiza obwiedni jako narzędzie wczesnego ostrzegania
Uszkodzenia bieżni i elementów tocznych w początkowej fazie generują krótkie impulsy o niskiej energii. W klasycznym widmie prędkości czy przyspieszenia są one często maskowane przez inne składowe. Analiza obwiedni (demodulacja amplitudy) pozwala je wyodrębnić.
Proces wygląda typowo tak:
rejestracja przyspieszenia w szerokim paśmie (np. do kilkudziesięciu kHz),
filtracja pasmowo-przepustowa w zakresie rezonansów łożyska i konstrukcji,
demodulacja i obliczenie widma obwiedni,
wyszukiwanie linii na częstotliwościach BPFO, BPFI, BSF i ich harmonicznych.
W praktyce analiza obwiedni pozwala wykryć defekt na długo przed tym, zanim pojawi się wyraźny wzrost RMS. To kluczowe przy maszynach, gdzie nie ma możliwości niespodziewanego postoju, a okno remontowe otwiera się rzadko. W zakładach, które zainwestowały w tę metodę, typowy scenariusz wygląda tak: najpierw lekkie „zaznaczenie” częstotliwości charakterystycznych w obwiedni, po kilku tygodniach – systematyczny wzrost amplitudy, a dopiero później wyraźna reakcja wskaźników szerokopasmowych.
Metody szerokopasmowe: RMS, crest factor, miary impulsowości
Do szybkiej oceny stanu łożysk, zwłaszcza przy patrolach z przenośnym miernikiem, często wykorzystuje się wskaźniki szerokopasmowe. Nie wymagają one skomplikowanej analizy widma w terenie, a dobrze prowadzone trendy są bardzo czułe.
Najczęściej stosowane są:
wartość skuteczna (RMS) – podstawowy wskaźnik „ogólnego poziomu drgań”, przydatny do kontroli zmian globalnych, ale umiarkowanie czuły na wczesne uszkodzenia łożysk,
crest factor (stosunek szczyt/RMS) – rośnie przy pojawieniu się krótkich impulsów, typowych dla początkowych defektów bieżni i elementów tocznych,
miary impulsowości (np. gSE, gSPM, wartości szczytowe w określonym paśmie) – dobrze reagują na mikro-uderzenia, pozwalają szybko „wyłapać” podejrzane punkty na trasie.
W warunkach produkcyjnych sprawdza się podejście dwustopniowe: podczas rutynowego obchodzenia maszyn technik mierzy parametry szerokopasmowe i porównuje je ze znanymi wartościami referencyjnymi. Gdy pojawi się odchylenie, wykonuje się pełną analizę widmową na stanowisku diagnosty lub w biurze.
Dynamika rozwoju uszkodzeń a częstotliwość pomiarów
Nie każde łożysko zużywa się w tym samym tempie. Uszkodzenie może się rozwijać miesiącami albo „wystrzelić” w ciągu kilku dni. Plan pomiarów musi to uwzględniać.
Przy ustalaniu częstotliwości pomiarów bierze się pod uwagę głównie:
rodzaj obciążenia – stałe czy zmienne, uderzeniowe, z częstymi rozruchami,
dotychczasową historię – czy na danej maszynie już „padały” łożyska, czy występowały przegrzania,
warunki środowiskowe – pył, wilgoć, agresywne media, wysokie temperatury otoczenia.
Przykładowo: duży wentylator procesowy z łożyskami baryłkowymi, pracujący stabilnie w czystym otoczeniu, może być sprawdzany co 4–6 tygodni. Ta sama maszyna w gorącym, zapylonym środowisku z częstymi rozruchami wymaga zwykle pomiarów co 1–2 tygodnie, a przy wykryciu pierwszych oznak uszkodzenia – nawet co kilka dni.
Wczesne wykrycie uszkodzenia bieżni w silniku wentylatora
W jednym z zakładów procesowych na krytycznym wentylatorze ciągłym pojawił się lekki wzrost wartości crest factor, przy niemal niezmienionym RMS. Analiza obwiedni pokazała niską, ale powtarzalną linię na BPFI. Maszyna pracowała stabilnie, bez odczuwalnego hałasu czy wahań temperatury.
Zamiast natychmiastowego postoju zdecydowano się na zagęszczenie pomiarów i obserwację trendu. W ciągu trzech tygodni amplituda w obwiedni wzrosła kilkukrotnie, a temperatura łożyska zaczęła delikatnie rosnąć. Na tej podstawie zaplanowano krótkotrwały postój w dogodnym oknie produkcyjnym. Po demontażu łożyska stwierdzono wczesny pitting bieżni wewnętrznej – daleko przed stadium katastrofalnym. Dzięki temu uniknięto niekontrolowanego zatrzymania linii i wtórnych uszkodzeń wirnika.
Rozróżnienie problemu smarowania od faktycznego defektu łożyska
W innym przypadku system on-line zarejestrował nagły wzrost poziomu przyspieszeń w paśmie wysokich częstotliwości na łożysku przekładni. Widmo nie wykazywało jednak wyraźnych linii BPFO/BPFI, a obwiednia była „zaszumiona”, bez jednoznacznych prążków. Jednocześnie analiza oleju wykazała brak istotnego wzrostu cząstek metalu, za to wyraźną zmianę lepkości oleju i oznaki degradacji dodatków przeciwzużyciowych.
Najczęściej zadawane pytania (FAQ)
Na czym polega diagnostyka drgań łożysk i do czego służy?
Diagnostyka drgań łożysk polega na pomiarze i analizie sygnałów drganiowych generowanych przez pracującą maszynę. Drgania są „językiem” łożyska – wszelkie zmiany w jego stanie technicznym (wżery, pęknięcia, luz, niewłaściwe smarowanie) powodują charakterystyczne zaburzenia w sygnale.
Celem diagnostyki drgań jest możliwie wczesne wykrycie usterek, zanim dojdzie do awarii całego układu napędowego czy zatrzymania linii produkcyjnej. Dzięki temu można planować przestoje, ograniczać koszty napraw i unikać uszkodzeń wtórnych (wałów, sprzęgieł, przekładni).
Dlaczego diagnostyka drgań jest skuteczniejsza od pomiaru temperatury czy „nasłuchiwania” maszyny?
Sygnał drgań reaguje na uszkodzenia łożyska znacznie wcześniej niż temperatura czy hałas słyszalny dla człowieka. Początkowe defekty (mikropęknięcia, wżery) generują krótkotrwałe impulsy drganiowe, ale nie powodują jeszcze wyraźnego wzrostu temperatury ani głośnej pracy.
Analiza drgań w dziedzinie częstotliwości oraz z wykorzystaniem technik takich jak pomiar przyspieszenia czy analiza obwiedni pozwala wykryć te wczesne zmiany nawet kilkaset godzin przed krytycznym rozwojem uszkodzenia. Klasyczna kontrola „na słuch” lub tylko czujnik temperatury zwykle rejestruje problem dopiero w zaawansowanej fazie.
Jakie są charakterystyczne częstotliwości łożysk i co oznaczają skróty BPFO, BPFI, BSF, FTF?
Charakterystyczne częstotliwości łożysk wynikają z ich geometrii (średnice bieżni, liczba i średnica elementów tocznych, kąt działania). Najczęściej stosowane oznaczenia to:
BPFO (Ball Pass Frequency Outer race) – częstotliwość przejścia elementów tocznych po bieżni zewnętrznej, rośnie przy uszkodzeniu bieżni zewnętrznej;
BPFI (Ball Pass Frequency Inner race) – częstotliwość przejścia elementów tocznych po bieżni wewnętrznej, charakterystyczna dla defektów bieżni wewnętrznej;
BSF (Ball Spin Frequency) – częstotliwość obrotu elementów tocznych wokół własnej osi, typowa dla uszkodzeń kulek/rolek;
Pojawienie się wyraźnych „pików” i ich harmonicznych na którejś z tych częstotliwości wskazuje, która część łożyska jest uszkodzona.
Jak po widmie drgań rozpoznać, czy uszkodzona jest bieżnia wewnętrzna czy zewnętrzna łożyska?
Uszkodzenie bieżni zewnętrznej zwykle objawia się wzrostem drgań na częstotliwości BPFO. W sygnale czasowym widać impulsy o stosunkowo stałej amplitudzie, bo defekt znajduje się w nieruchomej obudowie i każdy element toczny uderza w to samo miejsce. W widmie pojawiają się wyraźne składowe BPFO i jej harmonicznych, często z lekką modulacją obrotową.
Uszkodzenie bieżni wewnętrznej wiąże się ze wzrostem amplitudy na BPFI. Ponieważ bieżnia wewnętrzna obraca się wraz z wałem, impulsy mają amplitudę modulowaną obciążeniem – w widmie, oprócz BPFI, pojawiają się charakterystyczne prążki boczne wokół tej częstotliwości, powiązane z prędkością obrotową wału (1×RPM).
Jak drgania sygnalizują uszkodzenia elementów tocznych (kulek, rolek)?
Początkowe defekty elementów tocznych (płaskie miejsca, pęknięcia, wżery) zwykle są trudniejsze do wychwycenia w standardowej analizie FFT, ponieważ uszkodzony element „wędruje” po obwodzie bieżni – raz znajduje się w strefie obciążenia, a raz poza nią, co daje nieregularne impulsy.
Typowym wskaźnikiem takich usterek jest wzrost energii drgań w obszarze częstotliwości BSF i jej harmonicznych. Do ich wczesnego wykrywania stosuje się analizę obwiedni (Envelope Analysis), która wzmacnia sygnały uderzeń i tarcia w kontakcie rolka/bieżnia, dzięki czemu „podpis drganiowy” uszkodzonej kulki lub rolki staje się wyraźniejszy.
Po czym w drganiach rozpoznać nadmierne luzy w łożysku lub błędy montażowe?
Nadmierny luz wewnętrzny lub montażowy w łożysku nie zawsze daje jednoznaczne piki na częstotliwościach charakterystycznych (BPFO, BPFI, BSF). Częściej obserwuje się:
zwiększoną zawartość niskich częstotliwości, szczególnie w okolicy 1×RPM i jej harmonicznych,
efekty „stukania” i przeskoków w sygnale czasowym,
zaburzenia przypominające niewspółosiowość lub niewyważenie.
W miarę postępu zużycia może dojść do gwałtownego wzrostu drgań szerokopasmowych oraz pojawienia się typowych objawów mechanicznych – hałasu, zwiększonej temperatury, luzów węzła łożyskowego i spadku jakości pracy całej maszyny.
Jakie korzyści ekonomiczne daje wdrożenie systemu monitorowania drgań łożysk?
Dobrze zaprojektowany system monitorowania drgań pozwala wykrywać rozwijające się uszkodzenia łożysk nawet kilkaset godzin przed awarią krytyczną. Umożliwia to zaplanowanie kontrolowanego postoju i wymiany elementów w dogodnym momencie, zamiast reagowania na nagłe zatrzymanie maszyny.
Przekłada się to bezpośrednio na ograniczenie strat produkcyjnych (brak nieplanowanych przestojów), redukcję uszkodzeń wtórnych (wały, przekładnie, sprzęgła) oraz pracę utrzymania ruchu w trybie prewencyjnym zamiast „gaszenia pożarów”. W wielu zakładach różnica kosztów między zaplanowanym a awaryjnym zatrzymaniem jednej maszyny może sięgać kilkudziesięciu tysięcy złotych.
Wnioski w skrócie
Diagnostyka drgań pozwala bardzo wcześnie wykryć zużycie i uszkodzenia łożysk, zanim dojdzie do awarii całego układu napędowego i kosztownych przestojów.
Drgania są najbardziej czułym „sygnałem ostrzegawczym” – reagują szybciej niż temperatura czy pobór prądu, dzięki czemu usterki można wychwycić, gdy łożysko wizualnie wygląda jeszcze dobrze.
Dobrze zorganizowany system monitorowania drgań umożliwia wykrycie awarii łożyska nawet kilkaset godzin przed stanem krytycznym, co przekłada się na planowe przestoje zamiast nagłych zatrzymań produkcji.
Zdrowe łożysko generuje stabilny, losowy sygnał drganiowy bez wyraźnych pików na częstotliwościach charakterystycznych, dlatego kluczowe jest porównywanie aktualnych pomiarów do „normalnego” wzorca.
Diagnostyka łożysk opiera się na charakterystycznych częstotliwościach (BPFO, BPFI, BSF, FTF), których znajomość pozwala powiązać konkretne zaburzenia w widmie drgań z uszkodzeniem określonych elementów łożyska.
Początkowe uszkodzenia objawiają się pojedynczymi impulsami drganiowymi, które z czasem stają się częstsze i silniejsze, prowadząc do wyraźnych pików w widmie oraz wzrostu drgań szerokopasmowych.
Rodzaj uszkodzenia (np. bieżnia wewnętrzna czy zewnętrzna) ma swój charakterystyczny „podpis drganiowy”, co umożliwia nie tylko wykrycie usterki, ale też lepsze zaplanowanie naprawy i ocenę ryzyka dalszej pracy.
