Diagnostyka drganiowa w zakładach przemysłu cementowego stała się jednym z kluczowych narzędzi utrzymania ruchu, pozwalając na znaczące ograniczenie nieplanowanych postojów, kosztownych awarii oraz uszkodzeń wtórnych, które mogą prowadzić do zagrożeń bezpieczeństwa i utraty jakości produkowanego klinkieru oraz cementu. Wysoka koncentracja mocy, praca w warunkach zapylenia, zmienne obciążenia oraz duży udział urządzeń wirujących sprawiają, że odpowiednio zaprojektowany i konsekwentnie realizowany system monitoringu drgań staje się nieodzownym elementem strategii utrzymania ruchu opartego na stanie technicznym (CBM – Condition Based Maintenance). Poniżej omówiono specyfikę drgań w głównych węzłach linii technologicznej cementowni, metody pomiaru i analizy, a także praktyczne aspekty wdrażania i eksploatacji systemów diagnostyki drganiowej.

Charakterystyka maszyn i źródeł drgań w przemyśle cementowym

Linia technologiczna w przemyśle cementowym składa się z szeregu maszyn o bardzo zróżnicowanej charakterystyce dynamicznej. Począwszy od kruszarek surowca, poprzez młyny surowca, piece obrotowe, chłodniki klinkieru, przenośniki, młyny cementu, aż po wentylatory spalin i wentylatory procesowe – każda z tych maszyn generuje drgania wynikające z ruchu obrotowego, oddziaływań procesowych oraz zjawisk dynamicznych zachodzących w ich elementach. Zrozumienie natury tych drgań jest warunkiem skutecznej diagnostyki.

Do najważniejszych grup maszyn podatnych na analizę drganiową należą:

• młyny kulowe i młyny walcowe do przemielenia surowca oraz cementu,
• piece obrotowe wraz z napędami głównymi i pomocniczymi,
• wentylatory ciągu głównego, wentylatory młynów oraz pozostałe wentylatory procesowe,
• kruszarki, rozdrabniacze, przesiewacze,
• przenośniki taśmowe i kubełkowe z napędami,
• sprężarki powietrza procesowego oraz dmuchawy.

Urządzenia te narażone są na działanie szeregu wymuszeń: od klasycznych problemów mechanicznych, takich jak niewyważenie, niewspółosiowość, luzy, uszkodzenia łożysk tocznych i ślizgowych, po wymuszenia procesowe związane ze zmiennością obciążenia, uderzeniami materiału, asymetrią napełnienia czy nierównomiernym rozkładem masy w bębnie młyna.

Charakterystyczną cechą cementowni jest również bardzo wysoki poziom zapylenia oraz agresywne środowisko korozyjne, co wpływa zarówno na przyspieszone zużycie elementów maszyn, jak i na warunki pracy czujników drganiowych oraz przewodów sygnałowych. Dlatego projektując system diagnostyki należy zwrócić szczególną uwagę na dobór stopnia ochrony IP, odporność na temperaturę, a także sposób prowadzenia okablowania i ochronę mechaniczną.

Młyny surowca i cementu jako kluczowe obiekty drganiowe

Młyny kulowe oraz walcowe stanowią centralny element linii produkcyjnej. Ich awaria niemal zawsze prowadzi do natychmiastowego zatrzymania produkcji lub znaczącego jej ograniczenia. Z punktu widzenia drgań, młyny kulowe są obiektami o złożonym zachowaniu dynamicznym: zmienia się stopień napełnienia, rozkład masy, prędkość obrotowa oraz charakter uderzeń kul o wyłożenie. Wprowadza to do sygnału drganiowego silne składowe losowe oraz impulsywne.

Typowe problemy wykrywane za pomocą diagnostyki drganiowej w młynach to:

• niewyważenie bębna lub koła zębatego,
• niewspółosiowość między silnikiem a przekładnią, lub przekładnią a bębnem,
• luzy w połączeniach śrubowych segmentów wyłożenia,
• uszkodzenia wieńca zębatego i koła zębatego napędu,
• uszkodzenia łożysk ślizgowych czopów bębna oraz łożysk w przekładni,
• pęknięcia spoin lub odkształcenia konstrukcji wsporczych.

W młynach walcowych (np. młynach pionowych) istotne są drgania wynikające z pracy elementów mielących na płycie mielącej, zmiennego ciśnienia hydraulicznego w układzie docisku oraz zjawisk rezonansowych konstrukcji wsporczej. Z punktu widzenia diagnostyki szczególnie ważne jest rozróżnienie wzbudzeń typowo mechanicznych od wahań wynikających z charakteru procesu mielenia.

Napędy pieców obrotowych i chłodników klinkieru

Piec obrotowy, jako urządzenie o bardzo dużej długości i masie, generuje drgania o niskich częstotliwościach, często związane z niewspółosiowością poszczególnych podpór, zużyciem bieżni i rolek nośnych oraz nierównomiernym nagrzewaniem płaszcza. Układy napędowe pieców, wyposażone zwykle w przekładnie zębate i łożyska ślizgowe, są podatne na typowe uszkodzenia zębatek, zjawiska drganiowe typu torsyjnego oraz zaburzenia wynikające z luzów w przekładniach.

Chłodniki klinkieru, szczególnie typu rusztowego lub obrotowego, stanowią kolejne źródło drgań o charakterze impulsowym, związanych z przesypywaniem się gorącego materiału i z uderzeniami elementów konstrukcyjnych. W przypadku chłodników obrotowych analizie poddaje się głównie drgania napędu bębna i podporowych łożysk tocznych lub ślizgowych.

Metody pomiaru i analizy drgań stosowane w cementowniach

Skuteczność diagnostyki drganiowej zależy od właściwego doboru metody pomiarowej, parametrów analizy, a także od umiejętności interpretacji uzyskanych widm oraz trendów czasowych. W przemysłowych warunkach cementowni stosuje się zarówno pomiary okresowe (ręczne), jak i systemy ciągłego monitoringu.

Rodzaje czujników i konfiguracje pomiarowe

Najpowszechniej stosowanymi elementami pomiarowymi są akcelerometry piezoelektryczne, instalowane na obudowach łożysk, korpusach przekładni oraz konstrukcjach nośnych. Często wykorzystuje się czujniki z wbudowanym przetwornikiem IEPE, umożliwiające prowadzenie długich linii kablowych bez istotnej utraty jakości sygnału. Dla monitorowania prędkości drgań w zakresie niskich częstotliwości (np. przy piecu obrotowym) stosowane są również przetworniki prędkości lub integruje się sygnał z akcelerometrów.

W wielu zastosowaniach stosuje się także:

• czujniki zbliżeniowe (eddy current) do monitorowania przemieszczeń wałów w łożyskach ślizgowych,
• czujniki temperatury (PT100, termopary) w gniazdach łożysk i w przekładniach,
• enkodery i czujniki prędkości obrotowej do określania prędkości wału i synchronizacji pomiaru.

Konfiguracja systemu pomiarowego musi uwzględniać zarówno warunki środowiskowe (temperatura, pył, możliwość zalania), jak i dostępność miejsc pomiarowych. Dla newralgicznych maszyn, takich jak młyny główne czy wentylatory ciągu, coraz powszechniej stosowane są systemy stałe, z rozbudowaną liczbą kanałów, obsługujące jednocześnie pomiar drgań, prędkości obrotowej oraz temperatury.

Analiza widmowa i czasowa w diagnostyce drganiowej

Podstawowym narzędziem interpretacji sygnału drganiowego jest analiza widmowa (FFT), umożliwiająca identyfikację składowych związanych z prędkością obrotową (1×RPM), wielokrotnościami obrotów (harmonicznymi), częstotliwościami siatkowymi przekładni oraz charakterystycznymi częstotliwościami uszkodzeń łożysk tocznych. W cementowniach szczególną uwagę zwraca się na:

• składową 1×RPM – typowo związaną z niewyważeniem, biciem promieniowym, ekscentrycznością,
• składowe 2× i 3×RPM – często powiązane z niewspółosiowością lub luzami,
• pasma odpowiadające częstotliwości zazębienia kół zębatych,
• wysokoczęstotliwościowe pasma sygnałów impulsowych związane z uszkodzeniami elementów tocznych łożysk.

Oprócz widma częstotliwościowego wykorzystuje się analizę czasową (przebieg czasowy, obwiednię) oraz trendy parametrów globalnych, takich jak RMS prędkości drgań, przyspieszenie szczytowe, wartość szczyt–szczyt (peak-to-peak) czy wskaźniki impulsowości. Trendowanie w czasie stanowi klucz do wyznaczania progów alarmowych i planowania interwencji serwisowych z odpowiednim wyprzedzeniem.

W praktyce przemysłowej powszechne jest stosowanie dwustopniowego systemu alarmów: alarmu ostrzegawczego (pre-alarm) oraz alarmu krytycznego (trip lub shut-down, ewentualnie zalecenie natychmiastowego postoju przy pierwszej możliwości). Dobór progów wymaga znajomości zarówno norm ogólnych, jak i specyfiki danej maszyny. W wielu cementowniach tworzy się wewnętrzne bazy danych i mapy drganiowe, które uwzględniają konstrukcję fundamentu, sztywność posadowienia oraz charakter pracy.

Diagnozowanie konkretnych uszkodzeń na podstawie drgań

Interpretacja danych drganiowych w cementowni opiera się na połączeniu wiedzy teoretycznej z praktyką zakładową. Wiele usterek ma swój charakterystyczny „odcisk palca” w widmie drgań. Przykładowo:

• niewyważenie wirnika młyna lub wentylatora objawia się dominującą składową 1×RPM w kierunku promieniowym, zwykle z niewielką zawartością harmonicznych,
• niewspółosiowość pomiędzy silnikiem a przekładnią lub przekładnią a bębnem generuje podwyższone składowe 2× i 3×RPM, często w kierunku osiowym,
• luzy mechaniczne, typowe np. dla zużytych łożysk ślizgowych czopów młyna, skutkują obecnością wyraźnych składowych harmonicznych (mnożniki 1×RPM) oraz sygnałem modulowanym,
• uszkodzenia kół zębatych przekładni oraz wieńców młynów powodują pojawianie się szczytów w pobliżu częstotliwości zazębienia oraz jej harmonicznych, nierzadko z towarzyszącą modulacją częstotliwością obrotową,
• uszkodzenia łożysk tocznych, szczególnie w wentylatorach i napędach pomocniczych, objawiają się w widmie obwiedni obecnością charakterystycznych częstotliwości uszkodzeń bieżni zewnętrznej, wewnętrznej, elementów tocznych czy koszyka.

W warunkach zakładu istotne jest także odróżnienie wzrostu drgań wynikającego z procesów technologicznych od rzeczywistych usterek mechanicznych. Na przykład w młynach cementu zmiana stopnia napełnienia, rodzaju mielnika czy charakteru mieszanki surowcowej może prowadzić do znacznej zmienności poziomu drgań, niekoniecznie związanej z awarią. Dlatego często zestawia się dane drganiowe z parametrami procesu (prąd silnika, ciśnienie oleju, wydajność, temperatura materiału).

Wdrażanie systemów diagnostyki drganiowej i integracja z utrzymaniem ruchu

Opracowanie skutecznego systemu diagnostyki drganiowej w zakładzie cementowym nie sprowadza się jedynie do zakupu analizatora czy zestawu czujników. Kluczowe jest zbudowanie kompletnego łańcucha: od poprawnego montażu sensorów, poprzez odpowiedni dobór parametrów pomiarowych, aż po procedury analityczne i decyzyjne, włączone w szerszy system zarządzania utrzymaniem ruchu.

Strategia monitorowania: pomiary okresowe i systemy on-line

W praktyce cementowni stosuje się kombinację:

• pomiary okresowe (off-line) – realizowane przez techników utrzymania ruchu z wykorzystaniem przenośnych analizatorów drgań,
• monitoring ciągły (on-line) – obejmujący maszyny krytyczne dla produkcji, z możliwością automatycznego generowania alarmów.

Pomiary okresowe są elastyczne i stosunkowo tanie we wdrożeniu. Pozwalają objąć diagnostyką wiele urządzeń w krótkim czasie, jednak wymagają dobrej organizacji trasy pomiarowej, regularności oraz kompetencji osób wykonujących pomiary. Systemy on-line, instalowane na młynach głównych, wentylatorach ciągu czy napędach pieca, umożliwiają wykrywanie szybko narastających usterek, których rozwój w ciągu kilku godzin mógłby doprowadzić do poważnej awarii.

Dobór częstotliwości pomiarów okresowych zależy od krytyczności urządzenia i jego historii awaryjności. W przypadku kluczowych maszyn często stosuje się cykl tygodniowy lub dwutygodniowy, a dla urządzeń mniej krytycznych – cykl miesięczny. Przy wdrażaniu systemu on-line konieczne jest określenie, które sygnały będą rejestrowane w sposób ciągły, a które tylko w trybie zdarzeniowym (np. przy przekroczeniu progu).

Integracja wyników diagnostyki z systemem CMMS

Skuteczna diagnostyka drganiowa ma realną wartość dopiero wtedy, gdy wyniki analiz są przekładane na konkretne działania serwisowe. W tym celu stosuje się integrację z systemami CMMS (Computerized Maintenance Management System). Dane o przekroczeniach progów, trendach drganiowych i wynikach analiz widmowych mogą automatycznie generować zlecenia przeglądów, regulacji lub wymiany elementów.

W praktyce oznacza to:

• tworzenie kart obiektów zawierających informacje o mierzonych punktach, progach alarmowych i kryteriach,
• rejestrowanie historii pomiarów drgań wraz z datami interwencji,
• analizę korelacji między poziomem drgań a wykonywanymi remontami i zmianami w procesie,
• budowę baz danych trendów, umożliwiających przewidywanie momentu osiągnięcia progu krytycznego.

Dzięki takiej integracji możliwe jest wdrożenie pełnej strategii utrzymania ruchu opartego na stanie technicznym. Pozwala to na optymalizację harmonogramów remontowych, redukcję nadmiernej konserwacji prewencyjnej oraz minimalizację ryzyka kosztownych awarii nagłych.

Szkolenia personelu i standaryzacja procedur

Zaawansowane systemy pomiarowe wymagają odpowiednio przygotowanego personelu. Interpretacja widm drganiowych, odróżnianie zjawisk procesowych od usterek mechanicznych, właściwe techniki zamocowania czujników – to kompetencje, które trzeba świadomie rozwijać. W wielu cementowniach tworzy się wewnętrzne procedury pomiarowe, obejmujące m.in.:

• listę punktów pomiarowych dla poszczególnych maszyn,
• standardowe warunki pomiaru (obciążenie, prędkość, stan pracy),
• zakresy częstotliwości i parametry akwizycji danych,
• kryteria kwalifikacji usterek i zasady nadawania priorytetów.

Szkolenia powinny obejmować zarówno zagadnienia teoretyczne (podstawy drgań, sygnałów i widm), jak i ćwiczenia praktyczne na realnych maszynach zakładu. Warto, by w proces zaangażowani byli zarówno specjaliści od utrzymania ruchu, jak i technolodzy oraz operatorzy linii, ponieważ interpretacja sygnałów drganiowych bywa silnie powiązana ze stanem procesu technologicznego.

Korzyści ekonomiczne i eksploatacyjne diagnostyki drganiowej

Wdrożenie diagnostyki drganiowej w przemyśle cementowym przekłada się na mierzalne korzyści. Ich skala zależy od wielkości zakładu, poziomu zaawansowania systemu oraz kultury utrzymania ruchu, jednak typowe efekty to:

• istotne wydłużenie czasu międzyremontowego kluczowych maszyn,
• ograniczenie liczby awarii nagłych wymagających natychmiastowego zatrzymania produkcji,
• zwiększenie dyspozycyjności linii technologicznej,
• ograniczenie kosztów części zamiennych poprzez planowanie wymian według rzeczywistego stanu, a nie sztywnego harmonogramu,
• lepsza kontrola nad jakością montażu po remontach dzięki możliwości porównania poziomów drgań sprzed i po interwencji.

Długofalowo diagnostyka drganiowa pozwala również na identyfikację słabych punktów konstrukcyjnych i projektowych. Dzięki systematycznej analizie można wskazać elementy o zbyt małej sztywności, nadmiernej podatności na rezonans czy niewłaściwym posadowieniu. Umożliwia to wprowadzanie modyfikacji, które stabilizują pracę maszyn i ograniczają przenoszenie drgań na konstrukcje budowlane oraz sąsiednie urządzenia.

Nie bez znaczenia jest także aspekt bezpieczeństwa. Wczesne wykrywanie uszkodzeń łożysk, pęknięć wałów czy postępującej degradacji kół zębatych redukuje ryzyko katastrofalnych zniszczeń, pożarów lub awarii mogących stanowić zagrożenie dla personelu oraz środowiska. Z tego powodu w wielu zakładach diagnostyka drganiowa jest traktowana jako integralna część systemu zarządzania bezpieczeństwem technicznym, a nie wyłącznie narzędzie obniżania kosztów.

Diagnostyka drganiowa w cementowniach ewoluuje wraz z rozwojem technik pomiarowych, systemów akwizycji danych i algorytmów analitycznych. Coraz większe znaczenie zyskują rozwiązania wykorzystujące monitorowanie on-line, komunikację przemysłową oraz analitykę predykcyjną opartą na zaawansowanych modelach i uczeniu maszynowym. Niezależnie jednak od stopnia automatyzacji, kluczową rolę nadal odgrywa kompetencja inżynierów utrzymania ruchu, którzy potrafią właściwie powiązać obserwowane drgania z realnym stanem technicznym maszyn i warunkami procesu w wymagającym środowisku produkcji klinkieru i cementu.