Sledováním vibrací a jejich vyhodnocováním lze bez demontáže získat důležité informace o technickém a provozním stavu stroje. Náhle vzniklé či rozvíjející se vibrace jsou často průvodním jevem vznikající poruchy anebo neuspokojivého stavu strojního zařízení. Jejich měřením a kvalifikovanou analýzou získaných hodnot lze určit a vyhodnotit řadu chyb konstrukčního či provozního charakteru. Vhodným použitím metod moderní vibrodiagnostiky lze také optimalizovat konstrukci zařízení návrhem odstranění „vrozených“ příčin vibrací. Odhalování příčin nežádoucích vibrací napomáhá účinnému předcházení havarijních stavů (obr. 1), šetří náklady na údržbu a přispívá k optimálnímu časovému vytížení strojů a k možnostem plného využití jejich parametrů. Vibrodiagnostika se proto stala nedílnou součástí moderní prediktivní údržby.
Náhle vzniklé či rozvíjející se vibrace jsou často průvodním jevem vznikající poruchy anebo neuspokojivého stavu strojního zařízení. |
Měření a vyhodnocování vibrací, souvisejících s provozem strojního zařízení, se jako samostatný technický
a vědní obor vyvíjelo od primitivních metod (např. poslech vibrace, vybuzené poklepem a vyhodnocení na základě zkušenosti) až po experimentální modální analýzu a další současné vysoce sofistikované metody měření a zpracování signálu i výpočtové simulace. Rozvíjejí se moderní metody analýzy naměřených výsledků a účinné kombinace experimentální diagnostiky s výpočtovými simulacemi. Ke standardním metodám vibrodiagnostiky patří stanovení a sledování trendu rozvoje širokopásmových vibrací v průběhu životnosti stroje. Velmi účinným diagnostickým nástrojem je měření a vizualizace provozních tvarů kmitů, pomáhající odhalit slabá místa konstrukce stroje, eventuální nedokonalosti montáže, opotřebení či uvolnění jednotlivých součástí či nastupující poruchu (například únavový lom).
AKTIVITY V RÁMCI RCMT
Tradice měření vibrací a hluku na ČVUT sahá již do 60. let minulého století. Spolu s Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) se v roce 2000 etablovala skupina měření, která od roku 2004 tvoří Akreditovanou zkušební laboratoř, zaměřenou především na problematiku měření a technickou diagnostiku výrobních strojů. Nad rámec akreditace se její pracovníci zabývají výzkumnými úkoly stability obrábění. Jsou zaměřené na návrhy a realizaci diagnostických systémů na klíč, mají oprávnění vystavovat posudky strojních zařízení v oblasti vibrací a hluku.
Laboratoř je vybavena měřidly renomovaných firem, jako např. Adash, Ahlborn, Optodyne, Bruel&Kjaer, Kistler, HBM, Mitutoyo, Tesa, National Instruments a další. Od prvých let 21. století roste objem spolupráce
s průmyslovými podniky, od počátku zaměřený na výrobce obráběcích strojů. V poslední době se portfolio zákazníků rozrůstá také o uživatele obráběcích strojů a firmy z dalších oborů průmyslové produkce.
VYBRANÉ PRÁCE REALIZOVANÉ V RCMT
Ložisko stolu svislého soustruhu 
Zákazník požadoval odstranění vibrací stroje, které se projevovaly vznikem jemných, okem pozorovatelných vlnek na obráběném povrchu obrobku a současně záznějovými vibracemi s nepříjemným zvukovým doprovodem. Při otáčkách stolu 120 ot/min a v jejich okolí se projevovalo kmitání stroje na všech měřených místech (obr. 2). Počet vlnek na otáčku byl konstantní, nezávislý na otáčkách stolu. Po konzultaci se zákazníkem se specifikovalo zhruba 10 možných příčin této poruchy, počínaje značnou nevývahou stolu s upnutou paletou přes špatný chod vyráběných konstrukčních uzlů i subdodávek až po vliv měnících se řezných sil.
Prokázalo se, že opotřebení řezného nástroje má vliv pouze na hloubku vlnek, nikoliv na jejich počet a že kmitání není buzeno řezným procesem. Za použití frekvenční analýzy byly jako příčiny problémů postupně vyloučeny nevyhovující funkce převodovky hlavní i pomocné, špatný chod pastorků a ozubeného věnce stolu, hlavní motor, řemenový převod, kmitání smykadla a změny řezné síly. Podezření se soustředilo na hlavní ložisko otočného stolu a jako hlavní příčina problémů byl zjištěn skluz valivých elementů ložiska při jeho pohybu pod zatížením. Po jeho výměně za ložisko jiného výrobce zmiňované problémy ustaly.
Měřicí stanice pro výstupní testy brousicích vřeten
Vřeteno je srdcem přesného obráběcího stroje. Ani sebelépe navržené vřeteno však není imunní proti lidské chybě během výroby a montáže. Proto výrobce stroje, chce-li zaručit jeho kvalitu odběrateli, musí provádět 100% kontrolu kvality vřeten, použitých na stroji. V RCMT proto byla na požadavek zákazníka navržena měřicí stanice vřeten brousicích strojů (obr. 3) a zajištěna její výroba. Zkoušené vřeteno s upnutým přesným měřicím trnem je upevněno na stůl stanice. Pomocí akcelerometrů, bezkontaktních čidel výchylek a dalších senzorů jsou měřeny provozní vibrace ve dvou radiálních a jedné axiální rovině, teplota ložisek a geometrické odchylky pohybu vřetene, dané axiálním a radiálním pohybem hřídele včetně naklápění či nedostatky v jeho uložení.
Měření všech paramet rů probíhá na specifických hodnotách otáček vřetene a poté během jeho rozběhu a doběhu. Dynamické informace ze všech jmenovaných čidel dále zpracovává v automatickém režimu specializovaný software, rovněž vyvinutý v RCMT. Vypočítává celkové hodnoty ve stanovených frekvenčních pásmech a porovnává je s hodnotami referenčními, které vykazuje vzorové vřeteno. Vypočtené hodnoty ukládá software do databáze a automaticky vytváří měřicí protokol. Uživatel tak může vyhodnocovat kontinuitu a opakovatelnost výroby. Stanice výstupní kontroly přesných brousicích vřeten (obr. 4) musela vyhovovat umístění v montážní hale závodu, což vyžadovalo zvýšenou ochranu proti prachu a nečistotám, necitlivost na vibrace od okolí a na elektromagnetické vlivy. Vzhledem k širokému portfoliu vyráběných vřeten bylo nutno také zajistit rychlou přestavitelnost stanice na různé velikosti vřeten a možnost proměřovat jak elektrovřetena, tak vřetena s řemenovým náhonem. Stanice pracuje u zákazníka k jeho plné spokojenosti.
Měření vibrací a analýza ustavení troubového mlýna
Po provedené rekonstrukci troubového mlýna se projevil nadměrný hluk a vibrace. Bylo proto nutno prověřit stav soustrojí a kluzného ložiska hlavního hřídele. V rámci prvotní analýzy proběhlo měření vibrací na vybraných místech mlýna, převodovky a motoru včetně analýzy pohybu 
hlavního hřídele při rozběhu. Poté byla provedena analýza geometrie a ustavení mlýna. Vibrace na hřídeli s pastorkem, změřené akcelerometry, vykazovaly výrazně zvýšené hodnoty; byly zjištěny špičky na záběrové frekvenci ozubení a jejich harmonické násobky. Tomu odpovídalo následně zjištěné výrazné opotřebení pastorku na záběrové i nezáběrové straně a chyba v souososti pastorku a věnce.
Rozborem geometrie a ustavení mlýna spolu se zohledněním vlivu teploty vsázky při bubnu stojícím a rotujícím se stanovila prvotní příčina problému, byla to deformace tělesa mlýna vlivem nerovnoměrného ohřátí a zatížení vsázkou při stojícím bubnu (obr. 5). Navržená opatření – doporučený postup k volbě optimálních tolerancí mezi pastorkem a věncem s předpokladem teplotních dilatací a ustavení mlýna odpovídajícím způsobem – vedla ke snížení vibrací na přípustnou hodnotu. Mlýn bylo poté možno provozovat bez zvýšených vibrací.
Prediktivní diagnostika
Včasně prováděná údržba strojního zařízení významně přispívá ke snižování nákladů uživatele strojního zařízení. Podmínkou její účinnosti jsou průběžné včasné informace o stavu stroje. Ty může poskytovat vibrodiagnostika, neboť její předností je, že včas upozorní na zhoršující se stav zařízení (obr. 1), aniž by bylo nutno stroj demontovat a vyřadit z výrobního procesu na delší dobu. Nastupující porucha se projevuje zvýšenými vibracemi příslušných uzlů stroje, a proto pravidelná kontrola vhodně vybraných skupin, k nimž patří především vřeteno a pohybové osy, je zdrojem informací o tom, zda stroj ještě vyhovuje svojí přesností očekávaným výrobním úkolům. Zabrání se tak nečekaným a nežádoucím prostojům, termínovým skluzům dodávek a především, poskytuje provozní jistotu uživateli stroje. Účinnou pomoc v tomto oboru mohou poskytnout specialisté z RCMT.
Ing. Petr Borovan