Wstępna diagnostyka drgań: rodzaje drgań i ich źródła w przemyśle

Skuteczna wibroizolacja maszyn i urządzeń wymaga dobrej diagnostyki. Zanim dobierzemy odpowiedni produkt, konieczna jest identyfikacja źródła oraz charakteru drgań. Artykuł przedstawia podstawową metodykę identyfikowania problemów wibracyjnych w maszynach przemysłowych.

Analiza symptomów a diagnostyka przyczynowa w wibroizolacji

W przemyśle, a szczególnie w utrzymaniu ruchu, częstą praktyką jest wymiana zużytych komponentów na nowe, o identycznej specyfikacji. W kontekście wibroizolacji, takie podejście może być niewystarczające, a w konsekwencji prowadzić do eskalacji problemu. Wymiana wibroizolatorów bez analizy przyczynowej, tj. bez zrozumienia, dlaczego problem drgań wystąpił lub się nasilił, jest działaniem, które w dłuższej perspektywie nie przyniesie zamierzonych rezultatów.

Ponadto, częstym błędem, zwłaszcza w przypadku urządzeń wirujących (silniki, wentylatory), jest dobór wibroizolatorów wyłącznie na podstawie masy urządzenia, bez uwzględnienia częstotliwości drgań wymuszających. Może to prowadzić do wprowadzenia układu w stan rezonansu. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku maszyn charakteryzujących się niską liczbą cykli, takich jak prasy. Tutaj to właśnie precyzyjnie określona masa i jej rozkład na punkty podparcia determinują dobór wibroizolatorów.

Diagnostyka drgań w przemyśle to istotny element optymalizacji procesów produkcyjnych. Można wyróżnić dwa zasadnicze podejścia do analizy drgań: analizę symptomów (monitorowanie stanu) oraz diagnostykę przyczynową.

Analiza symptomów skupia się na wykrywaniu anomalii w pracy maszyn poprzez monitorowanie parametrów drgań (ich amplitudy, prędkości, przyspieszenia). Jest to działanie mające na celu sygnalizowanie przekroczenia dopuszczalnych norm.

Fundamentem skutecznej izolacji drgań jest precyzyjna diagnostyka przyczynowa – zrozumienie, z jakim charakterem drgań mamy do czynienia i jak wpływają one na urządzenie.

Celem diagnostyki jest identyfikacja źródła problemu, tj. ustalenie, co dokładnie generuje nadmierne wibracje. Jest to ważny etap przed przystąpieniem do doboru odpowiednich rozwiązań wibroizolacyjnych. Bez określenia charakteru i źródła drgań, zastosowanie wibroizolatorów może okazać się nieskuteczne, a w skrajnych przypadkach – pogorszyć sytuację poprzez zjawisko rezonansu.

Proces ten można podzielić na trzy kroki:

Identyfikacja źródła wzbudzenia

Charakterystyka sygnału drganiowego

Diagnostyka wstępna

Krok 1: Identyfikacja źródła wzbudzenia

Pierwszym etapem diagnostyki jest zlokalizowanie źródła siły wymuszającej drgania. W przemyśle spotykamy się z szerokim spektrum źródeł, które można kategoryzować ze względu na mechanizm powstawania.

Źródła mechaniczne

Najczęstszą przyczyną drgań są siły bezwładności wynikające z ruchu elementów maszyny.

Niewyważenie wirników

Podstawowe źródło drgań w maszynach obrotowych (wentylatory, silniki, pompy). W tym przypadku amplituda drgań maszyny będzie wprost proporcjonalna do wielkości niewyważenia. Drgania te mają charakter stabilnego przebiegu sinusoidalnego, o częstotliwości równej prędkości obrotowej wirnika (1X). Wyróżniają się także dominującą amplitudą w kierunku promieniowym (poziomym lub pionowym). Siła tych drgań charakteryzuje się gwałtownym przyrostem obciążeń dynamicznych wraz ze wzrostem obrotów maszyny, przekazywanych na fundamenty.

Niewspółosiowość

Niewłaściwe ustawienie maszyn (nieliniowe połączenie elementów maszyn: silników, wałów, itp.), powodujące nadmierną niewspółosiowość. Drgania wyróżniają się obecnością wyższych harmonicznych prędkości obrotowych (głównie 2X) oraz znaczną amplitudą w kierunku osiowym (wzdłużnym).

Siły posuwisto-zwrotne

Występują głównie w maszynach tłokowych (sprężarki, silniki spalinowe). Siły te wynikają z przyspieszeń mas tłoków i korbowodów, generując złożone spektrum drgań harmonicznych. Drgania te mają charakter silnie kierunkowy (zgodny z osią ruchu tłoka) i impulsowy, który wynika z gwałtownego hamowania i przyspieszania mas bezwładnych, co generuje widmo bogate w harmoniczne (siły I i II rzędu).

Siły dynamiczne, działające impulsowo (uderzenia i procesy technologiczne)

Prasy, młoty, kruszarki generują drgania impulsowe o bardzo dużej energii i szerokim widmie częstotliwości (drgania udarowe). Są to procesy dynamiczne, gdzie w bardzo krótkim czasie następuje transfer dużej energii kinetycznej, co wzbudza szerokie spektrum częstotliwości własnych układu.

Źródła elektromagnetyczne

Urządzenia pracujące w środowiskach, w których występują siły mechaniczne i elektryczne (np. silniki elektryczne) projektowane są w sposób umożliwiający stabilne przekształcanie siły elektrycznej na mechaniczną. W przypadku uszkodzenia dochodzi do asymetrii sił i możliwości wystąpienia drgań. Drgania te objawiają się jako tonalne składowe o częstotliwościach powiązanych z zasilaniem (głównie 2x częstotliwość sieciowa, czyli 100 Hz) oraz częstotliwościach żłobkowych. Ich cechą odróżniającą jest natychmiastowy zanik amplitudy w chwili odłączenia napięcia, co pozwala jednoznacznie rozróżnić je od wymuszeń mechanicznych.

Źródła przepływowe

Drgania te mają dwoisty charakter: generują dyskretne składowe o wysokich częstotliwościach wynikające z działania łopatek urządzeń (pomp, turbin, wentylatorów, itp.) oraz szerokopasmowe tło szumowe pochodzące od turbulencji i kawitacji. Są to zjawiska aero- i hydrodynamiczne, które powodują drgania własne korpusów i rurociągów (hałas materiałowy)

Krok 2: Charakterystyka sygnału drganiowego

Identyfikacja i klasyfikacja drgań w doborze wibroizolacji.

W wibroizolacji kluczem do sukcesu nie jest znalezienie „najmocniejszego” wibroizolatora, ale dobranie właściwej charakterystyki do typu wymuszenia. W oparciu o nasze doświadczenie z produktami EFFBE, proponujemy następujący podział umowny, który ułatwia dobór odpowiedniej serii produktów.

Drgania niskoczęstotliwościowe (Zakres: f < 25 Hz)

Jest to najtrudniejszy obszar dla wibroizolacji pasywnej. Obejmuje on maszyny wolnoobrotowe (poniżej 1500 obr./min, a szczególnie poniżej 600 obr./min), takie jak pompy wirnikowe, maszyny pomiarowe, prasy wolnobieżne, mikroskopy czy wagi laboratoryjne.
Standardowe wibroizolatory gumowo-metalowe posiadają częstotliwość własną zazwyczaj w zakresie 10-25 Hz. Przy wymuszeniu niskoczęstotliwościowym (np.15 Hz), zastosowanie zbyt sztywnego wiboizolatora może prowadzić do rezonansu (wzmocnienia drgań), zamiast ich izolacji.
Konieczne jest zatem zastosowanie miękkiego podparcia, aby uzyskać częstotliwość własną układu (f₀) na poziomie 3-5Hz.

Rekomendowany produkt EFFBE: Tutaj doskonale sprawdzi się Seria SLM
Są to wibroizolatory pneumatyczne, które dzięki ściśliwości gazu pozwalają na uzyskanie f₀~3Hz.
Zapewniają izolację drgań nawet przy bardzo niskich prędkościach obrotowych oraz precyzyjne poziomowanie.

Drgania wysokoczęstotliwościowe i akustyczne (Zakres: f > 25 Hz)

To najczęstszy typ drgań w przemyśle, generowany przez silniki elektryczne, wentylatory, kompresory śrubowe, tokarki czy frezarki CNC (przy wysokich obrotach wrzeciona). Często towarzyszy im emisja hałasu materiałowego, tj. dźwięków przenoszonych przez strukturę.
Celem jest tutaj nie tylko stabilizacja, ale przede wszystkim odcięcie drogi przenoszenia drgań na posadzkę, aby zapobiec tzw. „buczeniu” stropów i interferencji z innymi urządzeniami.
Wystarczające są tu wibroizolatory, które zapewniają stabilność i dobrą izolację dla wyższych harmonicznych.

Rekomendowany produkt EFFBE: Seria LM oraz seria CP
Seria LM: Klasyczne stopy maszynowe z elastomerem klasy CR zapewniają izolację od f_wym> 20Hz, są odporne na oleje i łatwe w montażu, w ofercie są także wibroizolatory z płytą montażową, umożliwiającą kotwienie.
Seria CP: Wibroizolator z podstawą mocującą, idealne do sztywnego kotwienia z jednoczesną separacją akustyczną. Konstrukcja serii CP chroni przed zerwaniem.

Wymuszenia udarowe

To specyficzna kategoria, w której nie mówimy o cyklicznej częstotliwości (Hz) w stanie ustalonym, lecz o nagłym wyzwoleniu dużej energii kinetycznej w krótkim czasie. Źródła to: prasy mimośrodowe, prasy hydrauliczne, młoty, gilotyny, wtryskarki.
W tym przypadku, zadaniem wibroizolatora nie jest klasyczna izolacja (jak w pkt 1), lecz rozproszenie energii. Izolator musi przyjąć uderzenie, ugiąć się (zamienić energię kinetyczną na potencjalną), a następnie wygasić ruch poprzez tłumienie wewnętrzne (zamiana na ciepło), chroniąc fundament przed pękaniem. Zbyt miękki izolator (np. pneumatyczny bez tłumienia) spowodowałby niebezpieczne kołysanie maszyny po uderzeniu.
Rozwiązaniem są materiały o dużym tłumieniu wewnętrznym i progresywnej charakterystyce sztywności.

Rekomendowany produkt EFFBE: Seria Urelast oraz seria LM
Seria Urelast: Poliuretanowe sprężyny o dużej odporności na zmęczenie i wysokim tłumieniu. Idealne jako zderzaki i elementy podpierające pod suwaki.
Seria LM (wersje twarde): Dla pras wymagających stabilności. Guma wewnątrz stóp LM działa jak amortyzator uderzenia, szybko wygaszając amplitudę drgań swobodnych po cyklu pracy.

Krok 3: Diagnostyka wstępna

Doświadczony pracownik może zebrać istotne dane do wstępnej diagnozy, stosując ustrukturyzowaną analizę w miejscu pracy maszyny. Aby to zrobić, należy odpowiedzieć na kilka kluczowych pytań.

Korelacja czasowa drgań z cyklem pracy:

– Czy drgania występują permanentnie po uruchomieniu (problem niewyważenia), czy tylko w fazie procesu roboczego (drgania procesowe/udarowe)?
– Czy drgania są obecne, gdy maszyna jest wyłączona (wzbudzenia zewnętrzne)?

Analiza spektralna (słuchowa i dotykowa):

– Czy dominuje niskie, dudniące „kołysanie” (drgania niskoczęstotliwościowe)?
– Czy słyszalny jest wysoki, jednostajny „pisk” lub „buczenie” (drgania wysokoczęstotliwościowe)?
– Czy odczuwalne są pojedyncze „uderzenia” (udary)?

Zależność amplitudy od prędkości obrotowej (RPM):

– Czy zmiana prędkości obrotowej maszyny wpływa na intensywność drgań? (Sprawdzić wyłącznie jeśli procedura jest bezpieczna i możliwa do wykonania)
– Czy istnieje wąski zakres prędkości, w którym amplituda drgań gwałtownie rośnie (wskazanie na rezonans)?

Określenie celu izolacji:

– Czy celem jest ochrona fundamentu i otoczenia (izolacja aktywna)?
– Czy celem jest ochrona precyzji urządzenia przed otoczeniem (izolacja pasywna)?

Ocena środowiska pracy:

– Czy wibroizolator będzie narażony na działanie olejów, chłodziw, agresywnych chemikaliów?
– Jaki jest zakres temperatur pracy?

Podsumowanie: Od diagnostyki do projektu wibroizolacji

Wstępna diagnostyka drgań nie jest celem samym w sobie, ale środkiem do zaprojektowania skutecznego systemu ochrony maszyn i ludzi.
Dokładne określenie charakteru drgań (źródło, częstotliwość, amplituda) oraz celów izolacji pozwala na świadomy i skuteczny dobór elementów tłumiących.

Produkty EFFBE oferują szerokie spektrum możliwości adaptacji do zdiagnozowanych problemów:

Elastomery (CR, Urelast): Wysokie tłumienie, odporność na oleje i starzenie, idealne do izolacji wibroakustycznej i ochrony przed uderzeniami.
Stopy wibroizolacyjne (LM): Precyzyjne wibroizolatory z funkcją poziomowania, przeznaczone do maszyn wymagających stabilnego podparcia przy jednoczesnej izolacji od drgań podłoża.
Stopy wibroizolacyjne (SLM): Rozwiązania pneumatyczne zapewniające maksymalną skuteczność izolacji w zakresie niskich częstotliwości (aktywna i pasywna wibroizolacja).
Seria CP: Wibroizolator z podstawą mocującą, odpowiedni do sztywnego kotwienia z jednoczesną dobrą absorpcją drgań. Konstrukcja serii CP chroni przed zerwaniem.

Poprawna identyfikacja źródła i charakteru drgań pozwala na precyzyjny dobór jednego z rozwiązań, gwarantując nie tylko redukcję wibracji, ale także wydłużenie żywotności maszyn i poprawę komfortu pracy.

Skontaktuj się z nami

Jeżeli w Państwa zakładzie występują problemy z wibracjami, wpływające na procesy lub infrastrukturę, zapraszamy do kontaktu, doradzimy w wyborze odpowiedniego rozwiązania.

Źródła:
[1] Szymaniec S., Kacperak M.: Diagnostyka drganiowa maszyn i zespołów Maszynowych, Napędy i Sterowanie, nr 5, maj 2021
[2] Glinka T., Szymaniec S.: Diagnostyka maszyn i urządzeń. Czujniki pomiarowe w diagnostyce. Część 1, Napędy i Sterowanie, nr 6, czerwiec 2020
[3] Hassan I.U., Panduru K., Walsh J.: An In-Depth Study of Vibration Sensors for Condition Monitoring, Sensors 24(3), 2024
[4] Sobolewski A.: Znaczenie harmonicznych żłobkowych w diagnostyce uszkodzeń klatki wirnika silnika indukcyjnego, DIAGNOSTYKA’4 (40)/2006

Michał Babiński

Właściciel firmy ENTECHSOL, praktyk z ponad 10-letnim doświadczeniem w automatyzacji maszyn. Specjalista w zakresie technologii laserowych fiber i pras przemysłowych, który doskonale rozumie wyzwania produkcyjne. Łączy wiedzę z praktyką – w wolnym czasie programuje, buduje własne urządzenia, modeluje i drukuje w 3D.