Pięć kluczowych punktów awarii w maszynach przemysłowych i sposoby zapobiegania przestojom w zakładach produkcyjnych

Przestój zaczyna się na długo przed zatrzymaniem maszyny

W nowoczesnej produkcji najdroższą awarią urządzenia rzadko jest samo uszkodzenie elementu. Rzeczywisty koszt wynika z zatrzymanej produkcji, opóźnionych dostaw, zagrożeń dla bezpieczeństwa oraz reakcji łańcuchowej, która rozprzestrzenia się na całą działalność.

W miarę jak fabryki stają się coraz bardziej zautomatyzowane, a cele produkcyjne coraz ambitniejsze, maszyny przemysłowe są eksploatowane intensywniej niż kiedykolwiek. Od przenośników górniczych i układów turbin po zrobotyzowane linie montażowe i zakłady procesowe — nawet drobne awarie mechaniczne mogą przerodzić się w całkowite wstrzymanie działalności.

Większość awarii ma jednak źródło w kilku powtarzających się słabych punktach, z którymi zespoły utrzymania ruchu zmagają się od dziesięcioleci.

Rysunek 1. Systemy przemysłowe wymagają ciągłej stabilności mechanicznej, aby uniknąć kosztownych przerw w produkcji.

Łożyska często ulegają awarii po cichu, zanim pojawią się katastrofalne uszkodzenia

Łożyska występują niemal w każdej maszynie wirującej, a mimo to pozostają jednym z najczęściej pomijanych źródeł degradacji urządzeń. Ich podstawowa rola jest prosta: zmniejszać tarcie i zapewniać kontrolowany ruch obrotowy. W praktyce pracują jednak pod ogromnym obciążeniem cieplnym i mechanicznym.

Nieprawidłowe smarowanie, niewspółosiowość wału, zanieczyszczenia i przeciążenia stopniowo osłabiają powierzchnie łożysk, aż drgania, hałas i ciepło stają się niemożliwe do zignorowania.

Dlaczego monitoring drgań ma znaczenie

Nowoczesne zakłady coraz częściej wdrażają systemy ciągłego monitorowania stanu technicznego, aby wykrywać uszkodzenia łożysk, zanim dojdzie do awarii. Analiza drgań o wysokiej częstotliwości może ujawnić mikroskopijne uszkodzenia na wiele tygodni przed tym, jak operatorzy usłyszą nietypowy hałas lub zauważą niestabilność wału.

Dlatego zakłady eksploatujące krytyczne urządzenia wirujące często wdrażają dedykowane systemy monitoringu maszyn, aby ograniczyć nieplanowane przestoje.

Bez monitoringu predykcyjnego awaria łożyska może szybko uszkodzić sprzęgła, wały i połączone zespoły napędowe.

Silniki elektryczne wciąż są podstawą ruchu przemysłowego

Silniki przekształcają energię elektryczną w pracę mechaniczną niemal w każdym sektorze przemysłu. Niezależnie od tego, czy napędzają pompy, sprężarki, przenośniki czy wentylatory, stanowią podstawę nowoczesnej infrastruktury automatyki.

Mimo to awarie silników wciąż zdarzają się zaskakująco często, ponieważ wiele zakładów nie docenia warunków środowiskowych i cieplnych, w jakich pracują urządzenia.

Rysunek 2. Silniki przemysłowe muszą równoważyć wydajność cieplną, wymagania dotyczące momentu obrotowego i ochronę środowiska.

Ciepło wciąż jest największym wrogiem

Przegrzewanie pozostaje jedną z głównych przyczyn degradacji silników. Nadmierne nagrzewanie osłabia układy izolacji, uszkadza uzwojenia i znacznie skraca okres eksploatacji.

Nagromadzenie kurzu, zablokowana wentylacja, przeciążenia i nieprawidłowy montaż dodatkowo przyspieszają zużycie. W zastosowaniach wymagających dużej wytrzymałości inżynierowie coraz częściej łączą silniki z inteligentnymi napędami AC VFD, aby zoptymalizować obsługę obciążenia i zmniejszyć naprężenia cieplne podczas pracy.

Zespoły utrzymania ruchu koncentrują się również na harmonogramach smarowania, weryfikacji osiowania i ochronie obudów, aby zminimalizować ryzyko przedwczesnych awarii.

Układy hydrauliczne zapewniają moc — i wiążą się ze znacznym ryzykiem

Układy hydrauliczne pozostają niezbędne w branżach wymagających bardzo dużej gęstości siły, w tym w górnictwie, przetwórstwie metali, ciężkiej produkcji i energetyce. Siłowniki hydrauliczne, podnośniki i prasy mogą generować ogromną siłę mechaniczną przy niewielkich gabarytach układu.

Jednak awarie hydrauliczne są szczególnie niebezpieczne, ponieważ łączą wysokie ciśnienie, przemieszczające się obciążenia i zgromadzoną energię.

Zanieczyszczenia są cichym zabójcą układu

Wiele awarii hydraulicznych zaczyna się od zanieczyszczeń wewnątrz obiegu płynu. Brud, cząstki metalu, wilgoć lub pogarszająca się jakość płynu stopniowo uszkadzają pompy, uszczelnienia i zespoły zaworów.

Wycieki i niestabilność ciśnienia mogą następnie wywołać przegrzewanie, skoki ciśnienia lub katastrofalne rozerwanie elementów. W poważnych przypadkach awarie przewodów hydraulicznych mogą spowodować wyrzucenie odłamków, niekontrolowany ruch lub nagłe zawalenie się urządzenia.

Z tego powodu operatorzy przemysłowi traktują obecnie analizę płynów i monitorowanie ciśnienia jako standardowe procedury konserwacji zapobiegawczej, a nie opcjonalne kontrole.

Przekładnie i pasy pochłaniają ciągłe obciążenia mechaniczne

Zespoły przekładni i pasów przenoszą moment obrotowy w całych maszynach przemysłowych, ale również stale pochłaniają drgania, obciążenia udarowe i naprężenia wynikające z niewspółosiowości.

W przeciwieństwie do awarii elektronicznych problemy z mechanicznym przeniesieniem napędu zwykle nasilają się stopniowo. Operatorzy mogą najpierw zauważyć poślizg, nietypowe drgania lub niestabilną prędkość, zanim dojdzie do poważniejszych awarii.

Niewielkie błędy osiowania stają się kosztownymi problemami

Nieprawidłowy montaż pozostaje jedną z najczęstszych przyczyn awarii przekładni i pasów. Nawet niewielkie niewspółosiowości wałów zwiększają tarcie, przyspieszają zużycie i powodują nierównomierny rozkład obciążenia na obracających się elementach.

Rozszerzalność cieplna dodatkowo komplikuje problem w środowiskach o dużym obciążeniu. Z czasem zmęczenie materiału osłabia zęby przekładni i konstrukcje pasów, aż awaria mechaniczna staje się nieunikniona.

Nowoczesne zakłady coraz częściej korzystają z diagnostyki drgań, narzędzi do osiowania laserowego i systemów monitorowania momentu dokręcania, aby zapobiegać tym awariom, zanim dojdzie do przerwania produkcji.

Uszczelnienia i uszczelki rzadko przyciągają uwagę, dopóki nie pojawi się wyciek

Uszczelnienia i uszczelki służą do utrzymywania ciśnienia, płynów, gazów i zanieczyszczeń wewnątrz systemów przemysłowych. Choć są niedrogie w porównaniu z silnikami lub pompami, bezpośrednio wpływają na niezawodność urządzeń.

Gdy elementy uszczelniające ulegają degradacji, wyciek może uszkodzić sąsiednie systemy, zmniejszyć wydajność oraz stworzyć zagrożenie dla środowiska lub bezpieczeństwa.

Rysunek 3. Degradacja uszczelnienia często rozwija się stopniowo, zanim pojawi się widoczny wyciek.

Wiele wycieków pozostaje niewykrytych przez tygodnie

Jednym z wyzwań związanych z awariami uszczelnień jest to, że uszkodzenia często rozwijają się wewnątrz, zanim operatorzy zauważą widoczną utratę płynu. Cykle cieplne, drgania, narażenie na działanie substancji chemicznych i wahania ciśnienia stopniowo osłabiają materiały uszczelniające.

Doświadczone zespoły utrzymania ruchu regularnie kontrolują połączenia wysokociśnieniowe, zespoły zaworów i obudowy pomp, ponieważ niewielkie wycieki często sygnalizują rozwijające się wewnątrz maszyny znacznie poważniejsze problemy z niezawodnością.

Konserwacja predykcyjna zastępuje strategie napraw reaktywnych

Operatorzy przemysłowi odchodzą od konserwacji reaktywnej, ponieważ oczekiwanie na awarię maszyn nie jest już ekonomicznie zrównoważone. Zamiast tego producenci intensywnie inwestują w technologie konserwacji predykcyjnej, które wcześnie identyfikują nietypowe zachowanie podczas pracy.

Platformy monitorowania stanu technicznego łączą obecnie pomiary drgań, analizę termiczną, diagnostykę oleju, monitorowanie prądu silnika oraz dane automatyki w czasie rzeczywistym, aby przewidywać awarie, zanim dojdzie do przestojów.

Systemy takie jak platformy ochrony maszyn Bently Nevada 3500 stały się szczególnie istotne w zastosowaniach obejmujących turbiny, sprężarki i urządzenia wirujące, gdzie nawet pojedyncza awaria może spowodować straty sięgające milionów dolarów.

Niezawodność stała się przewagą konkurencyjną

Niezawodność przemysłowa nie jest już postrzegana wyłącznie jako kwestia utrzymania ruchu. Obecnie stanowi strategiczny wskaźnik biznesowy, bezpośrednio powiązany z produktywnością, efektywnością energetyczną, bezpieczeństwem pracowników i stabilnością łańcucha dostaw.

Fabryki, które rozpoznają oznaki degradacji mechanicznej, zyskują znaczącą przewagę operacyjną nad zakładami, które wciąż polegają na strategiach napraw awaryjnych.

Przyszłość utrzymania ruchu w przemyśle będzie w mniejszym stopniu zależeć od naprawy uszkodzonych urządzeń, a w większym od identyfikowania wzorców awarii, zanim uszkodzenia staną się widoczne.

Autor: Natalie Cross | Analityk systemów przemysłowych

Natalie Cross ma ponad 12 lat doświadczenia w zakresie niezawodności urządzeń wirujących, platform konserwacji predykcyjnej oraz infrastruktury sterowania przemysłowego. Jej doświadczenie reporterskie obejmuje analizę w terenie systemów napędowych Siemens, wdrożeń systemów monitorowania drgań Bently Nevada oraz projektów modernizacji automatyki procesowej Honeywell w sektorach energetycznym i produkcyjnym.