Każdy silnik elektryczny, w tym serwosilnik, generuje pewien poziom wibracji wynikający z fizyki ruchu obrotowego. Jeżeli jednak pojawiają się wibracje przekraczające wartości dopuszczalne, może to być sygnał rozwijającej się usterki. Wczesne rozpoznanie, czy objaw jest naturalną cechą pracy układu, czy początkiem poważnego uszkodzenia, ogranicza ryzyko nieplanowanego postoju i wtórnych uszkodzeń napędu.
Normalne drgania silnika, a sygnał przekraczający dopuszczalny poziom
Żaden silnik elektryczny nie pracuje całkowicie bez drgań. Awaria nie wynika więc z samej obecności mikroruchów, lecz z ich poziomu i sposobu narastania. Mikrowibracje powstają wskutek tolerancji wykonania, pracy łożysk oraz pulsacji momentu elektromagnetycznego. Znaczenie ma nie sama obecność ruchów drganiowych, lecz ich amplituda, częstotliwość oraz zależność od tempa i obciążenia.
Normy stosowane do oceny maszyn wirujących, między innymi rodzina ISO 10816 i ISO 20816, wyznaczają strefy stanu od dobrego do niedopuszczalnego. Granice zależą od wielkości urządzeń, konstrukcji, sposobu posadowienia oraz warunków pracy. Serwo wymaga ostrożniejszej interpretacji, ponieważ często zmienia kierunek, obroty i moment w krótkim czasie.
Poziom drgań i interpretacja stanu silnika
Poniższa tabela przedstawia ogólne wartości odniesienia dla prędkości drgań RMS. Nie są to uniwersalne progi dla każdej jednostki. Przed oceną należy sprawdzić dokumentację producenta oraz warunki, w których wykonano pomiar. Wartości odpowiadają maszynom małej mocy (zwykle do około 15 kW ) według ISO 10816-1, dla większych jednostek normy przewidują wyższe progi, dlatego zawsze trzeba sprawdzić klasę maszyny, zanim odczyt zostanie oceniony.
| Prędkość drgań RMS [mm/s] | Strefa oceny | Interpretacja | Zalecane działanie |
| do 0,7 | A - dobra | Typowy poziom dla nowego lub wyremontowanego silnika | Kontynuacja eksploatacji i pomiary okresowe |
| 0,7–1,8 | B - dopuszczalna | Stan akceptowalny dla pracy długotrwałej |
Obserwacja trendu i skrócenie odstępu między pomiarami |
| 1,8–4,5 | C - ostrzegawcza | Możliwy rozwój problemu mechanicznego lub regulacyjnego | Zaplanowanie oceny źródła i wymiana zużytych elementów |
| powyżej 4,5 | D - niedopuszczalna | Podwyższone ryzyko uszkodzenia jednostki oraz układu mechanicznego | Kontrolowany postój i ocena serwisowa |
Zalecenia pomiarowe: pomiar wykonuj akcelerometrem zamontowanym na obudowie łożyska, w trzech osiach (osiowa, promieniowa pozioma, promieniowa pionowa). Silnik powinien pracować w ustalonym stanie termicznym - po minimum 15 minutach pracy pod obciążeniem. Wyniki rejestruj systematycznie, aby budować trend kwartał do kwartału.
Co może powodować nadmierne drgania serwomotoru?
Gdy wibracje przekraczają normalny poziom, źródło może tkwić w wirniku, sprzęgle, mocowaniu, reduktorze, układzie pomiarowym albo nastawach regulatora. Pojedynczy symptom nie wystarcza do wskazania uszkodzonego elementu. Znaczenie ma częstotliwość sygnału, kierunek pomiaru i moment cyklu, w którym nieprawidłowy sygnał zaczyna występować.
Niewyważenie wirnika, a wzrost drgań wraz z prędkością
Niewyważenie, w tym wady rozkładu masy, powoduje powstanie siły odśrodkowej rosnącej wraz z kwadratem prędkości obrotowej. W widmie zwykle dominuje składowa 1×. Źródłem może być uszkodzenie pakietu wirnika, nierównomierne osadzenie magnesów, zanieczyszczenie lub wada wpływająca na rozkład masy.
Jeżeli amplituda rośnie płynnie podczas zwiększania prędkości, a kierunek promieniowy jest wyraźnie dominujący, niewyważenie staje się jedną z istotnych hipotez. Dalsza praca może przyspieszać zużycie łożysk i uszkodzić elementy współpracujące.
Niewspółosiowość wału silnika i elementu napędzanego
Niewspółosiowość pojawia się, gdy linia wału i linia elementu napędzanego nie pokrywają się kątowo albo równolegle. Problem może dotyczyć sprzęgła, reduktora lub mechanizmu, w którym śruba kulowa odpowiada za ruch liniowy.
W odróżnieniu od typowego niewyważenia niewspółosiowość często zwiększa udział składowej 2× oraz sygnału osiowego. Źródłem bywa nieprawidłowy montaż, osiadanie konstrukcji albo odkształcenia termiczne. Wzajemne położenie wałów trzeba skorygować w tolerancji przewidzianej przez producenta sprzęgła. Pomiar laserowy lub czujniki zegarowe pozwalają określić, czy zachowano wymagane wartości.
Luzy mocowania i spadek sztywności konstrukcji
Poluzowane śruby, pęknięta płyta montażowa lub odkształcony wspornik mogą wzmacniać niewielkie wymuszenia. Taki sygnał bywa mylony z rezonansem, ponieważ amplituda rośnie niewspółmiernie do wielkości wymuszenia.
W zapisie czasowym może być widoczne spłaszczenie przebiegu związane z uderzaniem elementu o ograniczenie mechaniczne. Zanim zostanie podjęta ingerencja w sztywność ramy, warto sprawdzić mocowania. Czasem problemem jest jeden poluzowany element złączny, ale w innych przypadkach samo dokręcenie nie usuwa skutków pęknięcia lub trwałego odkształcenia.
Zużyte sprzęgło lub inny element pośredni napędu
Element elastyczny sprzęgła może z czasem stwardnieć, pęknąć albo się wykruszyć. Traci wtedy zdolność tłumienia i zaczyna przekazywać udary przy zmianie kierunku. Podobny efekt może dawać zużyty pasek, niewłaściwe naprężenie lub bicie koła pasowego.
Na widmie pojawiają się składowe wyższych rzędów oraz szum szerokopasmowy. Przy zmianie kierunku sygnał ma charakter impulsowy i staje się wyraźny na obudowie. Gdy wkładka sprzęgła ma pęknięcia albo trwałe odkształcenie, należy ją wymienić na element o parametrach takich, jakie przewiduje oryginalny projekt układu.
Rezonans mechaniczny osi i maszyny
Rezonans występuje, gdy częstotliwość wymuszenia zbliża się do częstotliwości własnej osi, wspornika lub ramy. Nawet niewielka pulsacja momentu może wtedy wywołać wysoki poziom oscylacji.
Zmiana masy, podparcia lub sztywności może przesunąć częstotliwość własną poza zakres roboczy. Czasem pomaga także korekta nastaw regulatora. Obniżenie wzmocnienia może ograniczyć pobudzanie konstrukcji, ale nie usuwa mechanicznej przyczyny. Aby trwale rozwiązać problem, trzeba określić źródło rezonansu i ocenić zachowanie układu w całym zakresie ruchu, a nie tylko w jednym punkcie pracy.
Zużycie łożyska i wzrost hałasu silnika
Każde łożysko zużywa się w określonych warunkach pracy, a jego degradacja należy do częstych mechanizmów prowadzących do awarii serwosilnika. We wczesnym stadium charakterystyczne częstotliwości defektowe BPFO, BPFI, FTF i BSF są widoczne głównie w analizie obwiedni. Później sygnał staje się wyczuwalny dotykowo, rośnie hałas, a temperatura może odbiegać od wcześniejszego trendu.
Nie każda zmiana oznacza konieczność natychmiastowego demontażu. O decyzji powinna decydować dynamika trendu, widmo oraz warunki pracy. Gdy poziom szybko narasta, planowane zastąpienie łożysk może zapobiec uszkodzeniu wału, gniazd lub innych części jednostki.
Sygnały mechanizmu zębatego i nadmierny luz mechaniczny
Mechanizm zębaty może generować dwa odmienne rodzaje sygnału. Nadmierny luz zwrotny powoduje impulsowe uderzenia przy zmianie kierunku ruchu. Zużycie powierzchni zębów, wżery lub błędy profilu dają natomiast ciągłe składowe związane z częstotliwością zazębienia.
Oba zjawiska mogą współistnieć. Pomiar czujnikiem zegarowym pomaga zmierzyć luz, ale interpretacja powinna uwzględniać także charakter pracy oraz sposób sterowania osi. Stary lub źle dobrany element może dodatkowo przenosić drżenie na obudowę silnika, mimo że jego źródło znajduje się poza samą jednostką.
Jak interpretować widmo drgań i trend pomiarowy
Analiza widma pomaga powiązać częstotliwość sygnału z konkretnym mechanizmem. Sam pojedynczy odczyt nie zawsze rozstrzyga, czy rozwija się usterka. Największą wartość daje porównanie wyników z wcześniejszymi pomiarami wykonanymi w takich samych warunkach.
Przykład dotyczy napędu osi X w centrum obróbczym. Maszyna była objęta kwartalnymi pomiarami. Rejestrowano wartość RMS na przednim łożysku w kierunku promieniowym:
-
styczeń: 0,8 mm/s, strefa B i poziom eksploatacyjny,
-
kwiecień: 1,2 mm/s, nadal strefa B, lecz wzrost o 50%,
-
lipiec: 2,6 mm/s, strefa C oraz pik odpowiadający defektowi bieżni zewnętrznej,
-
przed kolejnym pomiarem jednostka zaczęła pracować głośniej.
Po lipcowym wyniku można było zaplanować naprawę i ograniczyć ryzyko nieplanowanego zatrzymania. Wartość trendu polega na tym, że pokazuje tempo pogarszania się stanu. Informacja znaleziona na forum technicznym może wskazać podobny przypadek, lecz nie zastąpi pomiaru na konkretnej maszynie i porównania z jej wcześniejszymi wynikami.
Układ pomiarowy i nastawy pętli regulacji
Nie każde drganie ma źródło mechaniczne. Uszkodzony, źle zamontowany lub nieprawidłowo ustawiony enkoder może wprowadzać szum do sygnału położenia. Regulator próbuje korygować pozorny błąd, co wywołuje oscylacje szczególnie przy małej prędkości albo wtedy, gdy oś utrzymuje pozycję.
Warto sprawdzić, czy problem rozpoczął się po demontażu, naprawie lub zmianie układu pomiarowego. Ponowne ustawienie kąta komutacji i weryfikacja jakości sygnału mogą być konieczne, jeżeli po wymianie czujnika serwomotor zachowuje się inaczej niż wcześniej. Należy też uwzględnić hamulec trzymający. Niepełne zwolnienie hamulca może obciążać wał, prowadzić do nagrzewania i wywoływać nieregularny ruch.
Zbyt agresywny parametr regulatora może pobudzać częstotliwość własną mechaniki. Autotuning pomaga dobrać nastawy, ale nie powinien maskować luzów ani osłabionej konstrukcji. Układ na zimnym starcie może zachowywać się inaczej niż po nagrzaniu, dlatego strojenie trzeba prowadzić w warunkach reprezentatywnych dla normalnego cyklu.
Elektromagnetyczna przyczyna wibracji silnika
Nowoczesne serwosilniki są często maszynami synchronicznymi z magnesami trwałymi. Delaminacja magnesu, niesymetria uzwojenia stojana albo lokalne zwarcie międzyzwojowe zaburzają pole w szczelinie powietrznej i mogą wywoływać pulsacje momentu.
Takie zjawisko nie zawsze daje jednoznaczny obraz w pomiarze akcelerometrem. Pomocna bywa analiza prądów fazowych silnika pod kątem składowych związanych z częstotliwością obrotową i jej harmonicznymi, co pozwala wykryć zaburzenia pola magnetycznego niewidoczne bezpośrednio w pomiarze przyspieszeń.
Porównanie zachowania pod obciążeniem oraz wtedy, gdy układ wykonuje ruch jałowy, może ułatwić rozdzielenie wpływu mechaniki od zjawisk elektromagnetycznych. Sam wynik nie przesądza jednak o źródle. Powinien zostać zestawiony z prądami fazowymi, temperaturą, sygnałem położenia i charakterem ruchu.
Ruchy drganiowe są naturalnym skutkiem pracy elementów wirujących, lecz ich narastanie wymaga oceny. Źródło może znajdować się w wirniku, łożyskach, sprzęgle, mocowaniu, reduktorze, układzie pomiarowym albo sterowaniu. Najbardziej użyteczna jest analiza trendu wykonana w powtarzalnych warunkach, a nie przypadkowy odczyt z jednego cyklu.
Jeżeli pomiary wskazują na uszkodzenie wewnętrzne lub nie udaje się rozwiązać problemu przez korektę nastaw, urządzenie powinno trafić do serwisu zajmującego się silnikami elektrycznymi i serwosilnikami. W PLE Service wykonujemy diagnozę serwosilnika, naprawę oraz testy jednostki przed ponownym montażem w maszynie. Skontaktuj się z nami.
Często zadawane pytania
Co wywołuje drżenie silnika elektrycznego lub serwomotoru?
Najczęstsze źródła to niewyważenie wirnika, zużycie łożysk, niewspółosiowość, zużycie sprzęgła, rezonans konstrukcji oraz zużycie reduktora. Przyczyną mogą być również zakłócenia sygnału enkodera, niepełne zwolnienie hamulca lub niewłaściwe nastawy regulatora.
Dlaczego po zmianie czujnika położenia serwomotor zaczyna drżeć?
Po wymianie czujnika trzeba prawidłowo ustawić pozycję referencyjną i kąt komutacji. Błędna kalibracja zaburza synchronizację pola magnetycznego z położeniem wirnika. Skutkiem są pulsacje momentu, niestabilne trzymanie pozycji oraz ruch odczuwalny jako drżenie obudowy. Należy także zweryfikować okablowanie i jakość sygnału.
Jak ograniczyć nadmierne drżenie, gdy układ napędowy pracuje niestabilnie?
Podstawą jest porównywalny pomiar, kontrola trendu, prawidłowe osiowanie oraz ocena sprzęgła, mocowań i elementów przekazujących ruch. Nastawy regulatora powinny odpowiadać rzeczywistej sztywności i bezwładności mechaniki. Nie należy kompensować programowo problemu, który wynika z uszkodzonego podzespołu.
Kiedy drgania w serwosilniku wymagają profesjonalnej naprawy?
Szybkiej reakcji wymaga wejście w strefę D, nagły wzrost poziomu między kolejnymi pomiarami, nietypowy hałas, wzrost temperatury albo alarmy związane z prądem i momentem. Istotne są także gwałtowne zmiany przy hamowaniu, zmianie kierunku lub utrzymywaniu pozycji.
Czy źródłem wibracji może być wirnik?
Tak. Niewyważenie statyczne lub dynamiczne, poluzowanie magnesów, uszkodzenie pakietu blach albo wada wału mogą tworzyć charakterystyczne składowe częstotliwościowe. Widmo pozwala odróżnić typowe niewyważenie od części innych mechanizmów, ale ostateczna ocena wymaga zestawienia kilku parametrów.
Drżenie przy hamowaniu i trzymaniu pozycji. Winne są łożyska czy układ pomiarowy?
Jeżeli problem występuje głównie podczas hamowania i utrzymywania pozycji, bardziej prawdopodobne stają się zakłócenia sprzężenia zwrotnego, nastawy regulatora lub działanie hamulca. Zużyte łożyska zwykle generują sygnał także podczas ruchu, a jego poziom zmienia się wraz z prędkością.
